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Abstract(s)
The crystallization of water droplets is a ubiquitous phenomenon, which plays a
fundamental role in many natural and artificial processes. This phenomenon gained
particular interest in the aeronautical industry due to ice accretion on lifting surfaces and
engine intakes. Additionally, the aerospace sector also uses this phenomenon for the
development of cryogenic rocket engines.
This dissertation aimed at studying the cooling of water droplets, at different diameters and
air humidity ratios, through the conversion of a preexistent inhouse computational tool
for that purpose. In order to predict the behavior of discrete particles, a mathematical
model that accounted for the physics behind the cooling phenomenon of liquid water
droplets was incorporated into the existing code. To predict the convective effects
experienced by the droplets two correlations were used: the RanzMarshall classical
formulation and an empirical transient formulation that corrects the first one. The results
obtained were compared with a numerical study that used a oneway coupling model and
experimental data available in the literature. To understand how these results are
integrated into a complete freezing process, an analytical study of a fullscale fourstage
freezing model was performed and further compared with experimental data.
The numerical results showed that for, high humidity content, the interaction between the
particle and the surrounding environment becomes predominant and needs to be accounted
for. When considering low humidity content, this interaction can be neglected since the oneway coupling resembles the experimental data in a better way. Additionally, it was concluded
that the complete mixing model, which does not account for deformations and vibrations of
droplets, is an acceptable assumption when considering low or high humidity ratios and that
for intermediate humidity content, the mixing model assumption, which accounts for those
effects, shows close agreement with experimental data. The analytical model implemented
for the fullscale supercooling freezing of water droplets was able to predict the phenomenon.
A cristalização de gotas de água é um fenómeno omnipresente que desempenha um papel fundamental em inúmeros processos naturais e artificiais. Este fenómeno ganhou um interesse particular na indústria aeronáutica devido à acumulação de gelo em superfícies sustentadores e na admissão dos motores. Adicionalmente, o setor aeroespacial também utiliza este fenómeno no desenvolvimento de combustíveis criogénicos para motores foguete. O objetivo desta dissertação é estudar o arrefecimento de gotas de água, com diâmetros e razões de humidade do ar distintos, readaptando uma ferramenta computacional préexistente para esse propósito. Deste modo, e tirando partido de um modelo de acoplamento em duas fases, utilizado para prever o comportamento de partículas discretas, já implementado nessa mesma ferramenta, adicionouse um modelo matemático que considera a física por detrás do arrefecimento de gotas de água em estado líquido. Para prever os efeitos convectivos, a que as gotas estão sujeitas, foram usadas duas correlações distintas: a formulação clássica de RanzMarshall e uma formulação transiente que empiricamente corrige a anterior. Os resultados obtidos foram comparados com um estudo numérico onde um modelo de acoplamento em uma só fase foi implementado e dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente, para compreender a forma com que estes resultados são integrados num processo completo de congelamento por superarrefecimento, fezse um estudo analítico utilizando um modelo de quatro fases e, posteriormente, compararamse esses resultados com dados experimentais. Os resultados numéricos demonstram que para elevadas razões de humidade a interação entre a partícula e o meio envolvente ganha predominância e necessita de ser contabilizada. Quando consideradas baixas razões de humidade, esta interação pode ser desprezada, tendo em conta que o modelo de acoplamento em uma só fase apresenta maior proximidade com os resultados experimentais. Adicionalmente, foi concluído que o modelo de mistura completa, que não contabiliza as vibrações e deformações na gota, é uma aproximação válida quando considerando razões de humidade baixas ou elevadas e que, para razões de humidade intermédias, o modelo de mistura, que contabiliza essas mesmas perturbações, apresenta maior proximidade com os dados experimentais. O modelo analítico implementado para o superarrefecimento completo de gotas de água foi capaz de prever o fenómeno.
A cristalização de gotas de água é um fenómeno omnipresente que desempenha um papel fundamental em inúmeros processos naturais e artificiais. Este fenómeno ganhou um interesse particular na indústria aeronáutica devido à acumulação de gelo em superfícies sustentadores e na admissão dos motores. Adicionalmente, o setor aeroespacial também utiliza este fenómeno no desenvolvimento de combustíveis criogénicos para motores foguete. O objetivo desta dissertação é estudar o arrefecimento de gotas de água, com diâmetros e razões de humidade do ar distintos, readaptando uma ferramenta computacional préexistente para esse propósito. Deste modo, e tirando partido de um modelo de acoplamento em duas fases, utilizado para prever o comportamento de partículas discretas, já implementado nessa mesma ferramenta, adicionouse um modelo matemático que considera a física por detrás do arrefecimento de gotas de água em estado líquido. Para prever os efeitos convectivos, a que as gotas estão sujeitas, foram usadas duas correlações distintas: a formulação clássica de RanzMarshall e uma formulação transiente que empiricamente corrige a anterior. Os resultados obtidos foram comparados com um estudo numérico onde um modelo de acoplamento em uma só fase foi implementado e dados experimentais disponíveis na literatura. Adicionalmente, para compreender a forma com que estes resultados são integrados num processo completo de congelamento por superarrefecimento, fezse um estudo analítico utilizando um modelo de quatro fases e, posteriormente, compararamse esses resultados com dados experimentais. Os resultados numéricos demonstram que para elevadas razões de humidade a interação entre a partícula e o meio envolvente ganha predominância e necessita de ser contabilizada. Quando consideradas baixas razões de humidade, esta interação pode ser desprezada, tendo em conta que o modelo de acoplamento em uma só fase apresenta maior proximidade com os resultados experimentais. Adicionalmente, foi concluído que o modelo de mistura completa, que não contabiliza as vibrações e deformações na gota, é uma aproximação válida quando considerando razões de humidade baixas ou elevadas e que, para razões de humidade intermédias, o modelo de mistura, que contabiliza essas mesmas perturbações, apresenta maior proximidade com os dados experimentais. O modelo analítico implementado para o superarrefecimento completo de gotas de água foi capaz de prever o fenómeno.
Description
Keywords
Acoplamento Em Duas Fases Formulação Euleriana Formulação Lagrangiana Transferência de Calor e Massa