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- Estudo da Atomização de Jatos Eletrohidrodinâmicos: modelação, desempenho e aplicaçõesPublication . Cândido, Sílvio Miguel Rodrigues; Marques, José Carlos PáscoaNesta tese apresenta-se primeiramente uma descrição preliminar da literatura existente sobre a formação de jatos por efeitos eletrohidrodinâmicos, usualmente referenciados como “cones de Taylor”. Este fenómeno é de carácter multifísico e tem vindo a ser estudado a fim de podermos controlar eficazmente a forma e dimensão das gotas. Contudo é necessário conhecer melhor a interação entre o campo elétrico e a dinâmica do escoamento, sendo este o propósito geral deste trabalho. A presente tese concentra-se na atomização de jatos eletrohidrodinâmicos (EHD) através de uma abordagem numérica tridimensional para investigar as instabilidades associadas a estes mesmos jatos. No âmbito desta investigação foi realizada uma validação meticulosa da implementação de equações que acoplam as equações de Navier-Stokes, responsáveis pela dinâmica dos fluidos, e as equações de Maxwell para a eletrostática. Estas validações foram realizadas em cenários específicos, tais como a deformação de gotas individuais suspensas em meio dielétrico e a formação de jatos 2D em modo axissimétrico. Em particular, a quebra destes jatos em gotas foi analisada e comparada com leis teóricas de escala e dados experimentais. Os resultados mostraram desvios inferiores a 2%. Estudos pioneiros da simulação do cone de Taylor tridimensional mostrou erros médios na morfologia da mesma ordem de grandeza. No decorrer destas investigações foram explorados métodos avançados de análise e otimização. Entre eles destaca-se a utilização da Decomposição Modal e especificamente técnicas como POD (Proper Orthogonal Decomposition) e DMD (Dynamic Mode Decomposition). Estas técnicas oferecem uma visão aprofundada das características dominantes dos jatos e das instabilidades associadas. Adicionalmente, abordagens de aprendizagem de máquina, nomeadamente Redes Neuronais Artificiais, foram exploradas com o intuito de criar “gémeos digitais” (digital twins) para otimização dos processos envolvidos na atomização de jatos EHD. Por fim, a tese propõe um novo modelo híbrido combinando o Volume of Fluid (VOF) com a técnica de Lagrangian Particle Tracking (LPT). Este modelo é sugerido como uma alternativa eficaz e rápida para cálculo numérico no contexto de eletrosprays, potenciando assim aplicações práticas na indústria e na investigação da compreensão da física destes escoamentos. Contribuindo significativamente para o campo da atomização de jatos EHD, oferecendo novas perspetivas e ferramentas para melhor compreensão e aplicação deste fenómeno.
- Estudos sobre a Uniformização do Escoamento em Câmaras de Mistura usando CFD: Análise da câmara da experiência CLOUD no CERNPublication . Cândido, Sílvio Miguel Rodrigues; Marques, José Carlos Páscoa; Tomé, António RodriguesAs câmaras de mistura são diversamente utilizadas em toda a indústria com o objetivo de uniformizar diversos tipos de misturas, nomeadamente, líquidos com líquidos, de líquidos com sólidos, entre outros. Neste trabalho é mostrada a predominância de fenómenos turbulentos dentro destas e o seu impacto na mistura de diversas espécies presentes nas câmaras. A dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tem vindo a ser vastamente utilizada na predição dos fenómenos turbulentos de forma a caracterizar as estruturas do escoamento dentro deste tipo de câmaras. A literatura descreve que os modelos RANS, que não têm em consideração as características transitórias, falham diversas vezes nesta tarefa e que os modelos de resolução completa da turbulência são demasiados dispendiosos para a utilização na indústria. Nesta dissertação é feita a investigação dos impacto dos fenómenos de turbulência na mistura de gases, com o objetivo de modelar computacionalmente o funcionamento da câmara da experiência CLOUD no CERN. Para tal é inicialmente enquadrado o objetivo nas características e no estado da arte da modelação deste tipo de câmaras. Posteriormente, são descritas as formulações físico-matemáticas dos processos de transporte que estão na base da modelação numérica da mistura turbulenta. Os estudos têm por base a utilização do modelo multifásico “MIXTURE” do código comercial FLUENT com duas variantes para o modelo de turbulência, em que será utilizado o modelo k - ? SST URANS e o SAS. Os resultados obtidos são validados com dados da literatura, analisando a mistura de dois gases numa junção em T. É utilizada uma geometria de forma a que se consiga ter pouca difusão numérica e de facto ver a relação do modelo de turbulência com os fenómenos de mistura de espécies. Por fim, é aplicado o modelo multifásico para a mistura de Ar e de SO2 na câmara de mistura da experiência CLOUD. As simulações foram feitas em articulação com ambos os modelos de turbulência, SST e SAS, que demonstraram resultados significativamente diferentes. O modelo de turbulência comporta-se sempre melhor do que o SST para os vários casos analisados.
- Development of a Background-Oriented Schlieren (BOS) System for Thermal Characterization of Flow Induced by Plasma ActuatorsPublication . Moreira, Miguel; Rodrigues, Frederico; Cândido, Sílvio; Santos, Guilherme; Pascoa, JoséCold climate regions have great potential for wind power generation. The available wind energy in these regions is about 10% higher than in other regions due to higher wind speeds and increased air density. However, these regions usually have favorable icing conditions that lead to ice accumulation on the wind turbine blades, which in turn increases the weight of the blades and disrupts local airflow, resulting in a reduction in wind turbine performance. Considering this problem, plasma actuators have been proposed as devices for simultaneous flow control and deicing. These devices transfer momentum to the local airflow, improving the aerodynamic performances of the turbine blades while producing significant thermal effects that can be used to prevent ice formation. Considering the potential application of plasma actuators for simultaneous flow control and deicing, it is very important to investigate the thermal effects induced by these devices. However, due to the significant electromagnetic interference generated by the operation of these devices, there is a lack of experimental techniques that can be used to analyze them. In the current work, a background-oriented Schlieren system was developed and is presented as a new experimental technique for the thermal characterization of the plasma-induced flow. For the first time, the induced flow temperatures are characterized for plasma actuators with different dielectric materials and different dielectric thicknesses. The results demonstrate that, due to the plasma discharge, the temperature of the plasma-induced flow increases with the increase of the applied voltage and may achieve temperatures five times higher than the room temperature, which proves the potential of plasma actuators for deicing applications. The results are presented and discussed with respect to the potential application of plasma actuators for simultaneous flow control and deicing of wind turbine blades.