Dissertações
2024
Título: Determinação de Parâmetros de Fratura de um Elastômero Usando Correlação de Imagens Digitais
Nome do Aluno: Zélia Garcia da Fonseca
Nome do Orientador: Luiz Carlos da Silva Nunes
Resumo:
Elastômeros, como o polidimetilsiloxano (PDMS), têm uma vasta aplicação na área biomédica, devido a sua biocompatibilidade e similaridade com tecidos biológicos. Este trabalho teve como objetivo avaliar a falha deste material e para isso foram realizados ensaios de fratura em corpos de prova de cisalhamento puro sob condição de carregamento quase estático em temperatura ambiente constante com comprimento inicial de trinca variando de 10 a 50mm. O método de correlação de imagens digitais bidimensional foi utilizado para obter os deslocamentos da região próxima à ponta da trinca. Com os campos de deslocamentos os parâmetros de fratura, tais como deslocamento da abertura da ponta da trinca (CTOD), ângulo da abertura da ponta da trinca (CTOA) e extensão da trinca (∆a) foram determinados. A partir da carga aplicada e considerando os valores de CTOA, CTOD e extensão do comprimento da trinca, observou-se que ao aumentar o comprimento inicial da trinca, a resistência à fratura reduziu e as respostas não lineares das curvas CTOD-∆a foram independentes do comprimento inicial da trinca.
Título: Nucleação e Propagação de Fraturas em Materiais Frágeis com Base no Método da Derivada Topológica
Nome do Aluno: William Souza Garcia
Nome do Orientador: Marcel Duarte da Silva Xavier
Resumo:
A investigação de problemas em mecânica da fratura, como nucleação e propagação de trincas em materiais frágeis e dúcteis, segue sendo relevante na engenharia, pois permite prever falhas e aumentar a vida útil de componentes. Com os avanços tecnológicos, a modelagem computacional se tornou uma ferramenta poderosa nessa área. Entre as abordagens existentes, o método da derivada topológica tem mostrado bons resultados, embora ainda enfrente desafios em problemas não lineares. Este trabalho propõe uma metodologia alternativa e discreta, baseada na derivada topológica configuracional, adaptada a um meio já discretizado e com penalização material via o método SIMP. A sensibilidade obtida é utilizada para guiar um algoritmo de nucleação e propagação de fissuras que minimiza o funcional de Francfort-Marigo. A eficácia da abordagem é validada por meio de exemplos clássicos da literatura, como o experimento de Bittencourt, demonstrando a capacidade do algoritmo em capturar todo o processo de fratura, incluindo bifurcações e desvios de trinca, além de caracterizar o carregamento crítico.
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Título: Efeito da Adição de Sílica na Camada de Primer Usada em Reparos de Defeitos Transpassantes em Dutos Usando-se Compósitos de Matriz Polimérica
Nome do Aluno: Mauro Jorge da Rocha Filho
Nome do Orientador: Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
Atualmente, compósitos poliméricos reforçados com fibras são amplamente utilizados para reparar danos por corrosão em tubos metálicos, com a aplicação inicial de uma camada adesiva (primer) seguida do compósito em camadas concêntricas. Este estudo avalia o uso de sílica como espessante tixotrópico de baixo custo em resina epóxi comercial, com o objetivo de facilitar a aplicação do primer. Um estudo preliminar indicou que a adição de 1% em peso de sílica resulta em boa resistência à ruptura de juntas híbridas após a cura. Em seguida, realizaram-se testes hidrostáticos em corpos de prova com furos reparados, utilizando formulações de primer com e sem sílica, mantendo acabamento e espessura semelhantes. Os resultados mostraram que a sílica melhora a aplicação da camada adesiva sem comprometer a eficácia do reparo.
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Título: Transferência de Calor e Massa em Rodas Dessecantes com Múltiplas Correntes
Nome do Aluno: Mauricio de Souza Maciel
Nome do Orientador: Leandro Alcoforado Sphaier
Resumo:
Este trabalho investiga os fenômenos de transferência de calor e massa em rodas dessecantes multiprocesso, com múltiplas seções de desumidificação e regeneração. Foi proposto um modelo matemático composto por dois pares de equações diferenciais parciais não lineares acopladas, representando o transporte de massa e energia na corrente de ar e na matriz porosa. Após normalização com parâmetros adimensionais relevantes, o sistema foi resolvido numericamente via método dos volumes finitos e a função NDSolve do Wolfram Mathematica. Inicialmente, foi verificada a convergência numérica para um canal em regimes de desumidificação e regeneração. Em seguida, três modelos distintos de rodas dessecantes foram estudados: (i) com duas seções (desumidificação e regeneração em contracorrente); (ii) com três seções, incluindo uma zona de purga (caso especial I); e (iii) com quatro seções, acrescentando pré-regeneração e purga (caso especial II). Os resultados numéricos foram apresentados graficamente, e definiu-se a efetividade de desumidificação como métrica de desempenho. A análise mostrou que a adição das seções de purga e pré-regeneração reduz a efetividade de desumidificação. Por fim, discutiu-se o impacto da velocidade de rotação da roda e do parâmetro NTU sobre o desempenho dos sistemas, destacando implicações físicas relevantes.
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Título: Avaliação Experimental de Recobrimentos e Blindagens Térmicas para Reparos em Torres de Flare
Nome do Aluno: Luiz Cesar Coutinho Junior
Nome do Orientador: Kleber Marques Lisboa
Resumo:
Reparos poliméricos são amplamente utilizados na manutenção de tubulações em torres de flare, devido à instalação rápida e ao baixo custo. No entanto, a exposição à chama de alta temperatura pode comprometer sua integridade. Este estudo avalia, por meio de experimentos e simulações numéricas, o desempenho de blindagens metálicas — curtas, longas, lisas e envelhecidas — como proteção térmica para esses reparos. Foi desenvolvido um aparato experimental com câmara fechada, onde tubos de 6 e 8 polegadas com reparos poliméricos são expostos à radiação de aquecedores infravermelhos. A instrumentação inclui termopares e sensor de fluxo de calor. Um total de 16 configurações foi testado, variando diâmetro dos tubos, tipo e comprimento das blindagens e espaçamentos entre reparo e blindagem. Os resultados mostram que uma única blindagem já reduz significativamente a temperatura do reparo, enquanto blindagens adicionais oferecem ganhos térmicos marginais. Blindagens curtas permitem maior incidência de radiação no tubo, aumentando a condução de calor ao reparo. No caso dos tubos de 8 polegadas, o espaço limitado reduziu a ventilação, elevando a temperatura. Blindagens envelhecidas, mesmo com menor desempenho térmico por absorverem mais radiação, ainda mantiveram as temperaturas em níveis aceitáveis, demonstrando resiliência ao envelhecimento.
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Título: Uma Nova Relação Constitutiva para Pressão em Escoamentos em Meios Porosos com Transição Insaturado/Saturado e Vice-Versa
Nome do Aluno: Lucas Neves de Almeida
Nome do Orientador: Maria Laura Martins Costa
Resumo:
Este estudo propõe uma nova relação constitutiva para a pressão em escoamentos através de meios porosos com transição entre estados saturado e insaturado, baseada na teoria de misturas. O modelo considera três constituintes sobrepostos: uma matriz porosa rígida (sólido), um fluido incompressível (líquido) e um gás de baixa densidade mássica, que confere compressibilidade à mistura. A nova formulação relaciona diretamente a pressão à saturação, preservando a estrutura hiperbólica do sistema mesmo no regime saturado, o que permite uma solução fechada para o problema de Riemann. A solução do problema fornece expressões explícitas para a saturação, autovalores e invariantes de Riemann, independentes da velocidade, possibilitando a análise de diferentes tipos de conexões (choque-choque, rarefação-rarefação, choque-rarefação e vice-versa). Comparações com resultados da literatura mostraram a eficácia do modelo na descrição de escoamentos saturados e insaturados. A calibração dos parâmetros da relação constitutiva indicou que maiores pressões sobre o fluido resultam em maior resistência ao preenchimento da matriz porosa, com coerência física mantida em todos os casos.
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Título: Análise da Integral-J de Linha e Integral-J de Área em Material Hiperelástico Submetido ao Modo I de Carregamento
Nome do Aluno: Lucas Macedo Barboza
Nome do Orientador: Luiz Carlos da Silva Nunes
Resumo:
Tecidos biológicos moles apresentam comportamento não linear sob grandes deformações, sendo classificados como materiais hiperelásticos. Compreender esse comportamento contribui para o desenvolvimento de próteses, técnicas de prevenção de lesões e tratamentos para dores articulares. Este trabalho tem como objetivo avaliar a Integral‑J de linha e de área ao redor da ponta de uma trinca em um material hiperelástico, isotrópico e incompressível, submetido ao carregamento em modo I. Utilizou-se borracha de silicone Moldflex 4-150 RTV como material de estudo, com campos de deslocamento obtidos via Correlação de Imagens Digitais (DIC) em ensaios de cisalhamento puro. Foram aplicados quatro modelos de energia de deformação (Yeoh, Mooney‑Rivlin, Neo‑Hookeano e Lopez‑Pamies), com parâmetros determinados a partir de ensaios de tração. As integrais‑J foram calculadas em três trajetórias diferentes, analisando-se a influência da singularidade de tensão na ponta da trinca. Os resultados mostraram que os valores da Integral‑J de linha e de área são próximos, embora a Integral‑J de área apresente comportamento mais não linear. A independência da trajetória se manteve válida fora da zona de concentração de tensões. Dentre os modelos testados, o de Yeoh apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais. Adicionalmente, verificou-se que a componente de tensão σ22 tem influência significativa no valor da Integral‑J em comparação com o uso do tensor de tensões completo. Os resultados foram validados com o modelo de Kim.
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Título: Numerical Simulation of Conjugated Heat Transfer in Thermal Regenerators Subjected to Periodic Inlet Temperature: A Single Domain Approach
Nome do Aluno: Krishna Dasa Alves da Costa
Nome do Orientador: Isabela Florindo Pinheiro
Resumo:
Regeneradores térmicos são dispositivos utilizados para armazenar calor de uma corrente de fluido quente e transferi-lo, posteriormente, para uma corrente fria que passa pelo mesmo canal. São amplamente empregados em aplicações que vão desde processos industriais, como a recuperação de calor em usinas de energia, até sistemas de ventilação e ar-condicionado comerciais. Este estudo realiza uma análise numérica de um canal de regenerador térmico com seção transversal senoidal, mais especificamente de uma roda térmica, considerando a convecção interna do escoamento e a condução de calor nas paredes. O modelo matemático foi resolvido utilizando a Técnica da Transformada Integral Generalizada (TTIG), um método espectral que representa a solução por uma série de autofunções de um problema de Sturm-Liouville. Três aspectos principais foram investigados: (i) a transferência de calor conjugada com abordagem de domínio único, onde propriedades físicas variam espacialmente; (ii) condições de entrada periódica, tratadas via transformada discreta de Fourier no tempo e resolução no domínio da frequência; e (iii) a solução em geometrias irregulares, desafio particular para a TTIG. Foram realizadas análises de eficácia do método, considerando tempo computacional e convergência via erro quadrático médio. Além disso, analisou-se qualitativamente o perfil de temperatura sob diferentes condições operacionais, observando efeitos como atraso térmico e avaliando a efetividade do equipamento.
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Título: Grid-Shock Alignment, Boundary Conditions, Axial Symmetry and 3D Simulations for Hypersonic Flows Over Blunt Bodies
Nome do Aluno: Juan Carlos Assis da Silva
Nome do Orientador: Leonardo Santos de Brito Alves
Resumo:
Steady-states are pivotal in the analysis of dynamical systems, serving multiple roles including as initial conditions in unsteady simulations, reference solutions for establishing global boundary conditions, and as base flows for both linear and non-linear stability analyses. Within fluid mechanics, these steady-states, derived from the Navier-Stokes equations, are essential for exploring transitions from laminar to turbulent flows. The complexity of flows in engineering applications often precludes analytical solutions, necessitating reliance on numerical approximations. Specifically, in high-speed aerodynamics, the efforts to achieve numerical steady-states are com-pounded by the challenges posed by shock waves and their interactions with boundary layers. To mitigate spurious oscillations and ensure residue convergence to machine precision over time, specialized techniques are imperative in these contexts. This dissertation delves into various such techniques applicable to hypersonic flows over blunt bodies. The findings underscore that strategic shock-grid alignment near the leading edge, meticulous management of shock-capturing schemes, and the implementation of precise boundary conditions are essential for generating accurate steady-states. More-over, these methods are demonstrated to markedly diminish computational costs
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Título: Efeito da Absorção de Umidade na Resistência de Juntas Adesivas
Nome do Aluno: Gabriel Alves Machado
Nome do Orientador: Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
Este trabalho investiga o efeito da absorção de umidade na resistência de juntas coladas metal/compósito expostas a ambientes aquosos. Juntas híbridas foram submetidas a envelhecimento higrotérmico em diferentes períodos, com base na norma ASTM D5868‑01 para ensaios de cisalhamento. O compósito utilizado, desenvolvido para reparo de dutos, foi produzido pelo método hand lay-up, com 65% de fibras de vidro E (120 g/m²) e 35% de matriz polimérica à base de resina DGEBA. O adesivo consistiu em uma camada de 0,2 mm de resina epóxi reforçada com 5% em peso de partículas de quartzo. O aderente metálico foi uma chapa de aço carbono ABNT 1010. Os corpos de prova foram imersos em água destilada a 60 °C por 24, 72, 120, 240 e 720 horas, sendo realizados testes de tração para cada intervalo, com cinco amostras por grupo. Os resultados mostraram queda progressiva da força de ruptura com o tempo de exposição, até atingir um valor limite. Um modelo analítico foi proposto para prever a força de ruptura em função do tempo de envelhecimento, apresentando boa concordância com os dados experimentais.
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Título: Investigação das Propriedades Mecânicas de Compósitos Elaborados a Partir de Embalagens Cartonadas
Nome do Aluno: Fabrício Landim Carvalho
Nome do Orientador: João Marciano Laredo Reis
Resumo:
O estudo de diferentes materiais é essencial para o desenvolvimento de novos compósitos que contribuam para a preservação ambiental, redução de custos e ampliação de aplicações. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e analisar as propriedades mecânicas de um compósito produzido exclusivamente a partir de embalagens cartonadas recicladas, sem adição de resinas ou fibras, resultando em um material de baixo custo e fácil acesso. As embalagens cartonadas, compostas por polietileno de baixa densidade, alumínio e papel, são difíceis de reciclar devido à sua estrutura multicamada, o que justifica a busca por alternativas de reaproveitamento. O processo de fabricação envolveu a coleta, higienização, corte, empilhamento e prensagem térmica das embalagens a 90 °C, com desmolde após 12 horas. Corpos de prova foram confeccionados conforme as normas ASTM D3039/D3039M‑00 (tração) e ASTM D790‑03 (flexão). Os resultados demonstraram baixa dispersão entre amostras testadas com diferentes velocidades e números de camadas. Os valores obtidos para tensão de tração, tensão de flexão e módulo de elasticidade foram comparáveis aos de compósitos semelhantes na literatura, mesmo sem aditivos. O compósito apresenta potencial para aplicações não estruturais e representa uma alternativa viável para o reaproveitamento de embalagens cartonadas descartadas.
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Título: Modeling Periodic Nonlinear Dynamics Using Under-Sampled Data-Driven Symbolic Regression
Nome do Aluno: Davi Saadi de Almeida Lettieri
Nome do Orientador: Leonardo Santos de Brito Alves
Resumo:
Understanding combustion instabilities is essential for propulsion system design due to their unpredictable behavior. The Energy and Propulsion Research Laboratory (EPRL) at UCLA has been investigating flame response to acoustic excitation through small-scale experiments, focusing on a laminar diffusion flame from a single methane jet. To handle challenges from noisy and under-sampled data, the study applies machine learning methods, particularly Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy). A key contribution is the introduction of a data-folding technique, which enhances analysis by: (1) using data periodicity to reorganize sparse multi-period data into a denser single-period dataset, and (2) refining the estimated period via a smoothness criterion. This improves temporal resolution and addresses under-sampling. The method was validated using the Lorenz system under periodic and double-periodic conditions, and later applied to real combustion data from the EPRL experiments. Results show that the technique improves model accuracy and supports the development of reduced-order models (ROMs), aiding in the understanding and prediction of combustion instabilities for propulsion applications.
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Título: Modelo Simples para o Armazenamento de Hidrogênio via Adsorção Física
Nome do Aluno: Ana Carolina Loureiro Boavista Lustosa
Nome do Orientador: Leandro Alcoforado Sphaier
Resumo:
Este trabalho desenvolve um modelo para o armazenamento de hidrogênio por adsorção em um tanque cilíndrico com carvão ativado como material adsorvente. A concentração de hidrogênio adsorvido foi analisada com base nas isotermas de Dubinin-Ashtakov, considerando as fases de carga e descarga do gás sob condições de vazões ou pressões constantes. A efetividade do modelo foi avaliada por meio de diferentes combinações dos parâmetros: coeficiente de transferência de calor adimensional, fração de gás adsorvido no leito poroso e porosidade do leito. Foram analisadas as variações de pressão, temperatura e massa de hidrogênio durante o processo. Os resultados indicaram que maiores coeficientes de troca térmica favorecem o armazenamento, enquanto leitos mais porosos apresentaram menor desempenho. A eficiência do sistema foi calculada comparando-se o hidrogênio armazenado nas simulações com o valor máximo obtido em um processo isotérmico ideal. As simulações utilizaram propriedades do hidrogênio, do carvão ativado e do material do tanque, com dados obtidos da literatura. As equações de balanço de massa e energia foram adimensionalizadas para permitir aplicação em modelos genéricos.
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2023
Título: Análise da influência dos efeitos de forma, alinhamento, quantidade, área de defeitos e tipo de material nas propriedades mecânicas de materiais poliméricos produzidos por manufatura aditiva
Nome do Aluno: Reinaldo Lube Filho
Nome do Orientador: Antonio Henrique M. F. Thomé da Silva
Resumo:
Na era moderna, os polímeros desempenham papel fundamental em inovação e sustentabilidade, com destaque para sua moldabilidade, durabilidade e aplicação em diversas áreas. A manufatura aditiva (impressão 3D) tem impulsionado seu uso em engenharia e medicina, permitindo desde prototipagem rápida até o desenvolvimento de biomateriais para implantes. No entanto, defeitos como vazios e air gaps podem comprometer a integridade estrutural dos materiais impressos, afetando suas propriedades mecânicas. Este trabalho avalia o desempenho mecânico de corpos de prova (CPs) fabricados por impressão 3D com filamentos de PLA (ácido poliláctico) e ABS (acrilonitrila butadieno estireno), considerando diferentes combinações de defeitos internos. Utilizou-se um planejamento fatorial completo 2^5 com análise de variância (ANOVA), totalizando 16 combinações de defeitos, além de grupos controle e adicionais. Ensaios de tração até a ruptura forneceram dados sobre rigidez, tensão e deformação máximas. Os resultados indicaram que todos os fatores analisados foram significativos. A rigidez foi mais afetada pela troca de material e pelo tamanho dos defeitos; a tensão máxima, principalmente pelo tamanho dos defeitos, seguida do tipo de material; e a deformação máxima foi influenciada principalmente pelo alinhamento dos defeitos e, em seguida, pelo seu tamanho.
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Título: Derivada topológica aplicada na otimização de barragens em arco
Nome do Aluno: Lucas Vieira Monteiro Antunes Duarte
Nome do Orientador: Marcel Duarte da Silva Xavier
Resumo:
O projeto de barragens tem sido amplamente estudado ao longo dos séculos, com avanços significativos nas últimas décadas graças ao uso de ferramentas computacionais. Um desses avanços é o método da derivada topológica, reconhecido por sua aplicação bem-sucedida em áreas como problemas inversos, otimização de estruturas e modelagem da evolução de fraturas. A derivada topológica mede a sensibilidade de um funcional à introdução de perturbações no domínio, como furos, inclusões ou fraturas. Neste trabalho, o método é aplicado à otimização de estruturas sujeitas à pressão hidrostática, com foco no projeto da seção horizontal de barragens em arco. O algoritmo computacional desenvolvido combina a derivada topológica associada com a representação de domínios via função level-set. Os resultados numéricos obtidos geram geometrias com formato de arco semelhantes às seções típicas de barragens desse tipo. Assim, o estudo demonstra que o método da derivada topológica pode ser uma ferramenta eficaz no auxílio ao projeto de barragens em arco.
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Título: Análise de um sistema de dessalinização de água por destilação por membranas com vão de ar usando modelos assintóticos
Nome do Aluno: Karoline da Costa Rocha Fernandes Ferreira
Nome do Orientador: Kleber Marques Lisboa
Resumo:
Diante da crescente preocupação com a disponibilidade de água, estudos sobre dessalinização por membranas, especialmente por destilação por membranas com vão de ar (AGMD), têm ganhado destaque. Este trabalho propõe um modelo teórico para AGMD baseado em resistências térmicas, explorando dois limites assintóticos: vão de ar tendendo ao infinito e a zero. Para resolver as equações diferenciais, utilizou-se a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT) e a plataforma Wolfram Mathematica. Na primeira assíntota, onde o confinamento do escoamento pela membrana é desprezado, foi realizada uma análise de camada limite para condensação na presença de gases não-condensáveis. A partir disso, desenvolveu-se uma correlação — obtida pelo método dos mínimos quadrados — que relaciona a taxa de transferência de calor com parâmetros físicos, como o número de Jakob e a fração mássica de ar. Já a segunda assíntota, limitada pela convecção forçada nos canais de alimentação e resfriamento, foi analisada com base em modelos de resistência térmica consolidados na literatura. Por fim, aplicou-se a técnica de interseção de assíntotas para propor uma forma otimizada de dimensionar sistemas AGMD, sem recorrer a modelos excessivamente complexos. Como resultado, foi obtida uma correlação para determinar o tamanho ideal do vão de ar.
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Título: Numerical analysis one-dimensional heat and mass transfer models for air dehumidification using solid desiccants
Nome do Aluno: Jael Yankson Ofori
Nome do Orientador: Leandro Alcoforado Sphaier
Resumo:
Este estudo visa investigar o uso de dessecantes sólidos para desumidificação do ar atmosférico, com aplicações em sistemas de ar condicionado. A pesquisa utiliza uma abordagem numérica para analisar a transferência de calor e massa nos dessecantes sólidos. Uma formulação matemática é desenvolvida, e uma análise dimensional é realizada para identificar grupos adimensionais relevantes. As leis de conservação são consideradas na formulação de um modelo unidimensional para a transferência de calor e massa transiente em um meio poroso homogêneo. As equações são resolvidas pelo método dos volumes finitos para a discretização espacial, utilizando aproximações de diferenças centradas de segunda ordem e o esquema upwind de primeira ordem, juntamente com o método de linhas para a integração no tempo. A ferramenta computacional utilizada é o Mathematica. A metodologia é verificada por meio de balanços numéricos integrais de massa e energia, e também por meio da análise da ordem do método, calculada a partir de dados obtidos com diferentes tamanhos de malha. As equações matemáticas desenvolvidas foram resolvidas com rotinas numéricas implementadas no Mathematica. Uma análise de verificação de malha foi conduzida para garantir a confiabilidade dos resultados, identificando o tamanho de malha ótimo para as simulações. Para demonstrar o impacto dos grupos adimensionais no sistema, resultados simulados para casos selecionados foram apresentados e analisados. As representações visuais em forma de figuras ilustram as distribuições de temperatura e umidade ao longo de vários intervalos de tempo durante a operação. Na fase inicial (a 1 RPH — revolução por hora), observa-se uma distribuição de temperatura não uniforme, indicando um estado transitório à medida que o sistema se ajusta às condições operacionais. À medida que o tempo avança (a 2 RPH, 5 RPH, 15 RPH, 30 RPH e 60 RPH), a temperatura e a umidade tendem à estabilização, convergindo progressivamente para o equilíbrio dentro da matriz porosa. Na etapa final, o sistema atinge um regime estacionário com distribuição uniforme de temperatura e umidade a 60 RPH. A interação dos parâmetros adimensionais, especificamente NTUₘ (número de unidades de transferência de massa) e NTUₕ (número de unidades de transferência de calor), influencia significativamente o comportamento do sistema. Valores mais altos de NTUₘ e NTUₕ estão associados a maior eficiência na transferência de calor e massa, promovendo uma convergência mais rápida para a estabilidade, com perfis de temperatura e umidade mais consistentes. Por outro lado, valores menores de NTU resultam em convergência mais lenta e trocas menos eficazes, manifestando-se em perfis menos uniformes.
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Título: Análise de falha de compósitos de PRFV danificados e reparados com patchs adesivados
Nome do Aluno: Fernando Eboli Lopes Paiva
Nome do Orientador: João Marciano Laredo dos Reis e Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
Essa dissertação consiste em avaliar as propriedades mecânicas do PRFV através de ensaios de tração de corpos de prova íntegros, danificados e reparados. Os ensaios de tração foram realizados conforme ASTM D3039. O compósito foi fabricado com tecido de fibra de vidro TEXIGLASS WR‑326 e resina epóxi MC 109 da EPOXYFIBER®. A gramatura do tecido de fibra é 326 g/m². Os corpos de prova foram laminados manualmente e suas dimensões eram 250,0 mm de comprimento, 25,0 de largura e 2,5 mm de espessura. Cada corpo de prova possuía 10 camadas e as fibras têm orientações bidirecional (0º/90º). Através dos ensaios de tração, foi possível verificar a redução do limite de ruptura dos corpos de prova com furos de 3 mm, 6 mm e 10 mm. Foram fabricados patches de GRFP na mesma especificação dos corpos de prova para reparar os corpos de provas danificados. Os patches tinham 25,0 mm de largura, 2,5 mm de espessura e comprimentos 20 mm, 40 mm e 60 mm. Os reparos foram feitos utilizando adesivo epóxi Rengel® SW 404 e dois patches instalados um de cada lado do corpo de prova. Foi verificado que para os patches de 40 mm e 60 mm, os reparos foram capazes de reestabelecer parcialmente as propriedades mecânicas dos compósitos íntegros sem a necessidade de substituir os materiais compósitos. Os ensaios experimentais foram comparados com os resultados das simulações numéricas feitas a partir do método de elementos finitos.
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Título: Thermodynamic analysis of an Organic Rankine Cycle integrated with latent heat storage harnessing solar thermal energy for power generation
Nome do Aluno: Daniel Rubano Barretto Turci
Nome do Orientador: Kleber Marques Lisboa
Resumo:
Este trabalho investiga o desempenho termodinâmico de um sistema integrado composto por coletores solares, armazenamento térmico com material de mudança de fase (PCM) e um ciclo Rankine Orgânico (ORC) para geração de eletricidade. Foram analisadas as configurações DSOS (solar direto) e ISOS (solar indireto), modeladas na plataforma Wolfram Mathematica® com base em dados da literatura. No DSOS, os coletores atuam como evaporadores; no ISOS, há um trocador de calor entre os coletores e o ORC. Embora mais eficiente, o DSOS é menos utilizado em larga escala devido ao custo elevado do fluido orgânico no sistema. O fluido de trabalho escolhido foi o R-245fa, pelas suas propriedades termofísicas e ecológicas. Coletores solares a vácuo (ETC), com área total de 212,4 m², foram utilizados. Os modelos foram validados com dados experimentais da literatura, e a irradiação solar foi obtida via INMET para Niterói (RJ). Foram analisadas métricas como geração líquida, tempo de operação, energia armazenada e eficiência térmica, em semanas típicas de verão e inverno. Avaliou-se o desempenho dos sistemas com e sem armazenamento térmico. O uso do PCM mostrou-se eficaz, ampliando de 5 a 6 horas o tempo de operação no verão com potência quase constante. A eficiência térmica variou de 3,1% a 5,6%, dependendo da configuração e das condições climáticas. O estudo visa mitigar a intermitência da energia solar por meio do armazenamento térmico, propondo uma estratégia de geração contínua, estendida e previsível.
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Título: Obtenção da Resposta de uma embarcação virtual sujeita a explosões submarinas
Nome do Aluno: César Augusto Bernardi werle
Nome do Orientador: Antonio Lopes Gama
Resumo:
Após a Segunda Guerra Mundial, cresceu a necessidade de aumentar a resistência de estruturas navais a choques causados por explosões submarinas, que geram altos deslocamentos, velocidades e acelerações nas embarcações e seus equipamentos. Este trabalho tem como objetivo obter a resposta dinâmica (deslocamentos, velocidades e acelerações) de uma embarcação genérica sujeita a explosões submarinas, por meio de simulações em ambiente virtual. Utilizando a metodologia de dinâmica explícita no software Ansys®, foi modelado o fenômeno físico com definições adequadas de condições iniciais e de contorno. A análise considerou três cargas explosivas de PETN 1.5 com massas de 88 kg, 600 kg e 1.850 kg. Os resultados mostram aumento progressivo das respostas nos pontos analisados à medida que cresce o peso da carga explosiva. As maiores acelerações e tensões ocorreram abaixo do convés principal, região mais afetada pela onda de choque e pressão transmitidas pela água ao casco. Foram necessárias simplificações no modelo para otimizar o uso do hardware disponível. O estudo demonstra que, com ferramentas computacionais modernas, é possível obter de forma rápida e com custo razoável a resposta estrutural de embarcações a diferentes cenários de explosão submarina.
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Título: Análise da influência da espessura e rugosidade superficial de patches de GFRP para tubos metálicos
Nome do Aluno: Alexander Rodrigues Costa
Nome do Orientador: João Marciano Laredo dos Reis e Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
No presente trabalho é analisada experimentalmente a influência da espessura e do rugosidade superficial de um patch de GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) para reparo para uma tubulação industrial. Para tal análise, patches de três diferentes espessuras (3 mm, 4,5 mm e 6 mm) e três diferentes acabamentos superficiais (chamados “liso”, “rugoso” e “peel”) foram aplicados em tubos de aço API 5L gr. B, com furos de 10, 15 e 25 mm, os quais foram submetidos a testes hidrostáticos até a ruptura, medindo-se os valores de pressão de falha. Para a obtenção das três diferentes morfologias de superfície, os patches foram fabricados com um molde de aço, no qual a configuração “liso” foi obtida deixando a superfície côncava do patch em contato com o molde, a configuração “rugoso” foi obtida deixando a superfície côncava exposta ao ar, e a configuração “peel” foi obtida com o uso de um peel ply de poliamida na superfície côncava do patch. Foi observado que a capacidade do tubo reparado de suportar tensão é altamente dependente da espessura e rugosidade superficial do patch. Os resultados mostraram que reparos com maior espessura e maior rugosidade foram capazes de conferir uma maior pressão de falha ao tubo. Um modelo para estimar a pressão de falha com base na mecânica da fratura linear elástica é proposto.
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Título: Análise de falha e performance de estruturas de fibra de vidro danificadas e reparadas com patchs metálicos adesivados
Nome do Aluno: Alex Sousa Lassé
Nome do Orientador: João Marciano Laredo dos Reis e Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
Este trabalho avalia a eficiência de reparos em compósitos de matriz epóxi reforçados com fibra de vidro, utilizando chapas de aço coladas com adesivo epóxi. Por meio de ensaios de tração em corpos de prova íntegros, danificados e reparados, investigou-se se é possível restaurar, de forma eficiente, as propriedades mecânicas de materiais danificados por meio de um reparo simples. Os ensaios mostraram a redução da capacidade estrutural em função do dano e sua relação com propriedades como rigidez, limite de ruptura e deformação máxima. Os corpos de prova danificados foram reparados com chapas de aço carbono coladas, permitindo avaliar o potencial de restauração das propriedades mecânicas. O estudo comparou danos e reparos de diferentes dimensões, apresentando quantitativamente a perda e a recuperação das propriedades. Verificou-se que os reparos foram capazes de restabelecer parcialmente as propriedades dos compósitos. O trabalho também analisou a eficiência do reparo em relação à adesão entre o adesivo e os materiais envolvidos, e avaliou o comportamento mecânico do conjunto compósito–adesivo–patch metálico, considerando suas diferentes propriedades como rigidez e tensão de ruptura.
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2022
Título: Análise de Métodos Numéricos de Marcha para Geração de Regimes Permanentes Instáveis
Nome do Aluno: Rodrigo Tavares Veloso
Nome do Orientador: Leonardo Santos de Brito Alves
Resumo:
Regimes permanentes são fundamentais na previsão da transição laminar-turbulenta. Existem muitos geradores de regimes permanente, no entanto, nenhum é capaz de eliminar perturbações convectivamente instáveis estacionárias. Além disso, ainda não se sabe qual é o mais eficiente em cada tipo de instabilidade. Esse trabalho se propõe a responder essas questões. Análises comparativas entre os métodos serão feitas em todos os possíveis tipos de instabilidades. Irá também ser proposta uma nova solução para o problema convectivamente instável e estacionário. Os métodos Euler Implícito (EI), Selective Frequency Damping (SFD), boostconv e Minimal Gain Marching schemes (MGM) foram implementados em C++, assim como diferentes formulações da nova metodologia chamada de processo de deslocamento de frequência (FDP). Esses métodos serão avaliados em 3 casos testes diferentes: Equações de Lorenz, Burgers e escoamento compressível sobre placa plana, abrangendo todos os tipos de instabilidades. Apenas com o FDP foi possível convergir para uma solução livre de perturbações no caso convectivamente instável e estacionário. A formulação intermediária do FDP convergiu quando utilizada em conjunto com métodos implícitos. Para esse tipo de instabilidade o EI e o MGM multi-estágio foram os mais eficientes. Quando não linearidades não restringem o passo no tempo, o EI é o mais eficiente, porém, o MGM multi-estágio terá melhor desempenho quando não linearidades limitarem o passo no tempo. Para os casos onde não há a necessidade do FDP o resultado da análise é quase o mesmo, mas o boostconv apresentou resultados semelhantes ao EI e ao MGM multi-estágio. O boostconv é facilmente adicionável a um código já existente mas é mais difícil de se otimizar.
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Título: Estudo experimental e teórico de blindagens térmicas para elementos estruturais tubulares sujeitos a elevados fluxos de calor
Nome do Aluno: Robson Felipe Viana da Silva
Nome do Orientador: Fabio Toshio Kanizawa
Resumo:
Esta dissertação apresenta um estudo teórico e experimental sobre blindagens térmicas aplicadas a reparos em torres de flare. Reparos poliméricos vêm sendo utilizados em substituição à troca completa de componentes, oferecendo vantagens como menor custo e tempo de manutenção. No entanto, sua aplicação em ambientes de alta temperatura, como torres de flare, é limitada devido à possível degradação do material. O trabalho investiga o uso de blindagens metálicas em reparos compósitos aplicados a tubos de 6 polegadas com reforço em fibra de vidro e resina epóxi. Foram analisadas blindagens de aço inox AISI 316L, perfuradas e não perfuradas, posicionadas a 10 e 20 mm do reparo e entre si. Um aparato experimental foi desenvolvido para simular as condições operacionais dessas estruturas, controlando fluxo de calor, ventilação natural e temperatura ambiente. A emissividade das blindagens foi caracterizada com câmera termográfica e os termopares calibrados. Testes foram realizados com fluxos de calor de até 3,0 kW/m² para diferentes configurações: sem blindagem, com uma e duas blindagens, e com blindagens perfuradas e não perfuradas. Os resultados mostraram que a resistência térmica aumentou em 45,14% com uma blindagem não perfurada e em 47,06% com duas. Embora as blindagens perfuradas favoreçam a convecção, sua resistência térmica foi inferior às configurações com blindagens fechadas. Por fim, uma análise teórica com superfícies cinza mostrou boa concordância com os dados experimentais.
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Título: Análises estatística e experimental das tensões residuais e do ruído magnético Barkhausen em juntas soldadas por resistência elétrica por ponto de aço ARBL
Nome do Aluno: Paola Rodrigues Pereira
Nome do Orientador: Maria da Penha Cindra Fonseca
Resumo:
O aço HC420LA é um aço ARBL (alta resistência e baixa liga) laminado a frio, que possuibaixo teor deelementos de liga e de carbono adicionados. Este aço é amplamente aplicadona indústria automotiva devido à sua alta resistência, boa tenacidade e soldabilidade e custorelativamente baixo. A soldagem por resistência elétrica por ponto (RSW–resistance spotwelding) tem sido empregada para unir chapas metálicas desde a década de 1920. Este método possui inúmeras vantagens, como rápida aplicação, baixo custo e facilidade de automação. Tensões residuais são geradas em todos os processos de fabricação e são produzidas quando as regiões de um material sofrem deformações plásticas ou elásticas heterogêneas de maneira permanente, sem a presença de quaisquer cargas externas. Está bem estabelecido que as tensões residuais trativas têm efeito prejudicial, pois podem se somar aos carregamentos de serviço, contribuindo para a nucleação e a propagação de trincas de fadigae diminuindo a resistência à corrosão sob tensão. O presente trabalho tem como objetivo realizar um estudo das tensões residuais geradas na soldagem por ponto com diferentes tempos de soldagem, por difração de raios-X, correlacionandoos resultados com os sinais de ruído magnético Barkhausen e usando análise de variância, pelo método ANOVA. Os resultados mostraram que que a soldagem por ponto do aço HC420LA gerou tensões residuais predominantemente trativas e elevadas, tendo seu máximo próximo ao centro dapepita ea análise de variância indicouque o tempo de soldagem não afeta a geração detensões residuais eosinal de RMB e que estes variam em relação às regiões do ponto desolda sem, entretanto, variar em relação às faces da junta. O resultado da correlação dePearson enfatizou que os valores de tensões residuais obtidos por difração de raios-X sãodiretamente proporcionais aos valores eficazes de ruído magnético Barkhausen
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Título: Comportamento das Tensões Residuais Geradas no Torneamento de Aço Superduplex
Nome do Aluno: Katarine Domingues Tavares
Nome do Orientador: Maria da Penha Cindra Fonseca
Resumo:
Os aços inoxidáveis são amplamente utilizados nas indústrias offshore e nuclear por sua excelente resistência à corrosão e ductilidade. Dentre eles, os aços superduplex se destacam por suas superiores propriedades mecânicas em relação aos aços austeníticos. No entanto, sua usinagem é desafiadora devido ao endurecimento por deformação, alta resistência e baixa condutividade térmica. O presente trabalho investigou as tensões residuais geradas no torneamento de aço superduplex utilizando dois tipos de inserto de metal duro: convencional e wiper, com análise por difração de raios X. A operação de desbaste com inserto convencional resultou em alta rugosidade superficial e tensões residuais trativas elevadas, chegando a 880 MPa, especialmente na direção transversal. Já o passe de acabamento com inserto wiper proporcionou melhor acabamento e gerou tensões residuais compressivas. A análise em profundidade revelou que, nas amostras desbastadas, as tensões transversais trativas foram mais estáveis, tornando-se compressivas a 45 μm de profundidade, enquanto nas amostras acabadas essa transição ocorreu a 30 μm. O estudo foi complementado por caracterização microestrutural via ferritoscopia e microscopia óptica, além de ensaios de dureza Rockwell.
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Título: Characterization of the Film Formed in Maraging 300 Steel Aged Under an Oxidizing Atmosphere
Nome do Aluno: Hugo Ribeiro da Igreja
Nome do Orientador: Juan Manuel Pardal
Resumo:
The oxide film formed on maraging 300 steel after aging under a steam atmosphere was investigated using multiple characterization techniques. Cross-sectional EDS and GDOES analyses revealed a depth-dependent chemical composition, with an external iron oxide-rich layer and an inner region enriched in alloying elements. Mo and Ti concentration peaks precede those of Ni and Co, indicating early-stage oxidation participation. Microscopy (TEM/EDS/SAED) confirmed a double oxide layer: the outer layer contains hematite, magnetite, and occasionally wüstite, while the intermediate layer is mainly magnetite with Mo-rich boundaries (suggesting MoO₂). The interface is rich in Ni and Co, featuring TiO₂ lamellae in austenite, along with Ni₃Ti intermetallics and Widmanstätten austenite morphology. X-ray diffraction enabled phase quantification and analysis of their evolution through the film depth. Hardness testing confirmed microstructural changes, though with limited detail. Electrical resistivity (4-point probe) and feritscope tests, while less informative in isolation, showed high potential for non-destructive film thickness measurement. Together, these techniques provided a comprehensive understanding of the oxide film’s structure and formation.
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Título: Modelagem e Avaliação de Trocadores de Calor de Correntes Cruzadas Baseados em Microcanais para Ciclos de Liquefação de Gás Natural
Nome do Aluno: Brunno Abreu da Fonseca Vargas
Nome do Orientador: Fabio Toshio Kanizawa
Resumo:
Esta dissertação apresenta a modelagem numérica de trocadores de calor de microcanais voltados para aplicações em sistemas de liquefação de gás natural embarcados. Devido à sua elevada área de troca térmica por volume, os microcanais são promissores, embora apresentem maiores perdas de pressão. Assim, foi realizada uma análise paramétrica considerando variações no diâmetro hidráulico e nas condições operacionais, avaliando efetividade, perda de carga e volume. Inicialmente, são apresentados conceitos fundamentais sobre escoamento monofásico e bifásico, padrões de escoamento, fração de vazio, perdas de pressão e transferência de calor, com base em ampla revisão bibliográfica. Em seguida, são discutidas tecnologias de liquefação de gás natural offshore e tipos de trocadores aplicados. Foi desenvolvido um modelo numérico para trocadores de correntes cruzadas com microcanais, utilizando propriedades médias na seção transversal. Simulações foram realizadas com diâmetros hidráulicos de 1, 3 e 5 mm, em arranjos de 29 canais no evaporador e condensador. A análise teve como base um sistema de liquefação com ciclos em cascata de propano, etileno e metano — hidrocarbonetos de baixo impacto ambiental. Foram simuladas 300 configurações numéricas com pressões de evaporação variando de 1 a 3 atm e diferenças de temperatura entre condensadores de 2 a 18 °C. Os resultados mostraram que trocadores com microcanais menores apresentaram maiores coeficientes globais de transferência de calor, maior compacidade e menores perdas de pressão em comparação com canais maiores.
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2021
Título: Desenvolvimento de um Túnel de Vento: Simulação Computacional do Escoamento Turbulento e Caracterização dos Parâmetros de Projeto
Nome do Aluno: Umberto Costa Bitencourt
Nome do Orientador: Isabela Florindo Pinheiro
Resumo:
Neste trabalho, apresenta-se o projeto de um túnel de vento para fins acadêmicos, guiado por parâmetros descritos na literatura. A modelagem computacional é realizada no ANSYS Fluent, com o objetivo de simular testes típicos de túneis de vento e fornecer suporte à futura construção de uma plataforma experimental. A seção de testes é baseada no túnel de vento climático da UFRJ, e os demais componentes são projetados para garantir boa qualidade de escoamento. Foram dimensionados a contração, utilizando uma função polinomial de quinta ordem, e o difusor, com geometria plana. Três simulações foram conduzidas: (i) escoamento subsônico isotérmico; (ii) escoamento subsônico com aquecimento uniforme das paredes da seção de teste; e (iii) escoamento com um cilindro na seção de teste para determinação do coeficiente de arrasto. Além disso, foi implementado um modelo matemático simplificado da seção de teste utilizando o método do comprimento de mistura com amortecimento de Van Driest, para obter o perfil de temperatura no caso com paredes aquecidas. A formulação foi resolvida numericamente no MATLAB utilizando o Método dos Volumes Finitos (MVF).
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Título: Influência dos Parâmetros e Geometrias de Corte nas tensões Residuais Geradas na Usinagem de Aço Supermartensítico
Nome do Aluno: Túlio Salek Quintas
Nome do Orientador: Maria da Penha Cindra Fonseca
Resumo:
Os aços supermartensíticos são amplamente utilizados na fabricação de tubos para a indústria de óleo e gás, especialmente em aplicações com altos carregamentos termomecânicos e ambientes corrosivos. Nessas condições, as tensões residuais geradas durante a fabricação, incluindo as de usinagem, podem afetar significativamente a vida útil dos componentes. Este trabalho investigou o comportamento das tensões residuais em amostras de aço S13Cr usinadas por torneamento, retificação e polimento (belt-finishing), avaliando o impacto de diferentes condições de corte. Foram utilizados insertos com geometria convencional e wiper no torneamento. As tensões residuais foram medidas por difração de raios X (técnica do sen²ψ) e complementadas por análises de rugosidade e ruído magnético Barkhausen. Os resultados mostraram que o torneamento gerou tensões trativas em todas as amostras, mas o uso do inserto wiper resultou em tensões superficiais menos elevadas e compressivas em camadas subsuperficiais. A retificação produziu tensões compressivas na superfície, que se tornaram trativas e de baixa magnitude a partir de 10 μm de profundidade. Já o polimento gerou tensões compressivas elevadas e estáveis até 75 μm em amostras previamente torneadas com inserto wiper.
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Título: Parameter Estimation in Diesel Engine Simulations
Nome do Aluno: Rodrigo de Sá Leitão Martins
Nome do Orientador: César Cunha Pacheco
Resumo:
This master’s thesis aims to estimate parameters of a CFR diesel engine cetane testing process, in accordance with ASTM D613, using an inverse analysis approach. The initial conditions—pressure, temperature, and equivalence ratio during the compression stage—along with the parameters of the Wiebe Equation during combustion, are considered unknown. Pressure measurements during both compression and combustion stages are assumed available. Simulations based on physical models are performed to numerically reconstruct the pressure curves and fit them to experimental data. Key variables such as cylinder pressure, temperature, equivalence ratio, and Wiebe parameters are included, even though some may not be directly measurable due to harsh operating conditions. In such cases, inverse analysis is a critical tool. Parameter estimation is carried out using the Levenberg-Marquardt algorithm, producing results in good agreement with reference values and at a relatively low computational cost. This approach offers valuable support for researchers and engineers in designing more efficient and environmentally friendly diesel engines.
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Título: Avaliação da Transformação Martensítica no AISI 321 Deformado a Frio por Técnicas Não Destrutivas
Nome do Aluno: Rodrigo de Souza Brito Lira
Nome do Orientador: Juan Manuel Pardal
Resumo:
Os aços inoxidáveis austeníticos (AIA), compostos por Fe, Cr, Ni, Mn e N, são os mais utilizados entre os aços inoxidáveis (AI). Dentro dessa categoria, destaca-se o AISI 321, que contém Ti como elemento estabilizante, sendo recomendado para aplicações em altas temperaturas (600 °C a 700 °C), onde outros aços são suscetíveis à sensitização. Por isso, é amplamente empregado na indústria, especialmente no setor de Oil & Gas. Entretanto, o AISI 321 com baixo teor de carbono é suscetível à transformação martensítica induzida por deformação, comum em processos de fabricação a frio ou em serviços com carregamento cíclico. Essa transformação pode comprometer as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão do material. Diante disso, torna-se essencial o uso de técnicas não destrutivas para avaliar a presença de martensita, tanto no controle de qualidade de peças conformadas a frio quanto no monitoramento de componentes em operação. Ensaios como correntes parasitas, ferritoscopia e resistividade elétrica se mostram alternativas viáveis, por serem simples, rápidos e aplicáveis in loco, desde que precedidos de uma calibração adequada.
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Título: Estudo sobre Transições de Padrões de Escoamentos Adiabáticos Submetidos à Vibração
Nome do Aluno: Matheus Coitinho Constantino
Nome do Orientador: Fábio Toshio Kanizawa
Resumo:
Esta dissertação apresenta um estudo teórico sobre padrões de escoamento bifásico gás-líquido, adiabático e horizontal, sob influência de vibrações externas. O objetivo é desenvolver um método de previsão de transições entre padrões de escoamento, com base em modificações do modelo de Taitel e Dukler (1976), de forma a incluir os efeitos das vibrações na dinâmica do escoamento. As modificações propostas são baseadas em uma análise fenomenológica do impacto das vibrações na interface gás-líquido. O trabalho inclui uma revisão bibliográfica crítica sobre o tema, seguida do desenvolvimento completo do modelo teórico, com hipóteses e fundamentos bem definidos. Os resultados mostram diferenças significativas entre o novo modelo e o de Taitel e Dukler. Para vibrações brandas, observou-se uma redução de até 46% no fluxo mássico de transição entre os padrões estratificado liso e ondulado. Também foi analisada a influência de variáveis operacionais como tipo de fluido e temperatura. A temperatura de saturação demonstrou efeito marginal, enquanto a vibração teve maior impacto em condições com alta fração de vazio.
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Título: Generation of Steady-States for Stationary and Convectively Unstable Flows Using the Frequency Displacement Procedure
Nome do Aluno: Mateus Sanglard Schuabb Nunes
Nome do Orientador: Leonardo Santos de Brito Alves
Resumo:
Accurate steady-states are crucial for linear stability analysis, serving both as initial conditions and as boundary references in simulations with sponge zones. Traditional methods used to compute steady-states effectively damp most linear instabilities, including oscillatory and absolute types. However, they fail when the dominant disturbances are stationary and convectively unstable—common in aerodynamic flows—since these grow spatially but not temporally. This work introduces a novel methodology that shifts the frequency of such disturbances away from zero, allowing existing methods to damp them without altering the original steady-state. The approach is demonstrated using a one-dimensional compressible Navier-Stokes model. Temporal and spatial stability analyses, along with convective and absolute studies, show that conventional methods cannot converge to a steady-state for marginally unstable stationary modes. When the proposed technique is applied, these limitations are overcome, enabling convergence. Additionally, steady-state convergence studies are conducted using various numerical schemes. The work also explores two-dimensional grid generation with orthogonality constraints at certain boundaries, employing PDE-based methods. A test case of hypersonic flow over a blunt body is presented, and the grid generation is extended to three dimensions in cases where 2D grids allow extrusion or axial symmetry.
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Título: Modelagem da transferência de calor e massa no processo combinado de mosturação e filtração
Nome do Aluno: Júlio Araujo dos Santos
Nome do Orientador: Leandro Alcoforado Sphaier
Resumo:
Accurate steady-states are crucial for linear stability analysis, serving both as initial conditions and as boundary references in simulations with sponge zones. Traditional methods used to compute steady-states effectively damp most linear instabilities, including oscillatory and absolute types. However, they fail when the dominant disturbances are stationary and convectively unstable—common in aerodynamic flows—since these grow spatially but not temporally. This work introduces a novel methodology that shifts the frequency of such disturbances away from zero, allowing existing methods to damp them without altering the original steady-state. The approach is demonstrated using a one-dimensional compressible Navier-Stokes model. Temporal and spatial stability analyses, along with convective and absolute studies, show that conventional methods cannot converge to a steady-state for marginally unstable stationary modes. When the proposed technique is applied, these limitations are overcome, enabling convergence. Additionally, steady-state convergence studies are conducted using various numerical schemes. The work also explores two-dimensional grid generation with orthogonality constraints at certain boundaries, employing PDE-based methods. A test case of hypersonic flow over a blunt body is presented, and the grid generation is extended to three dimensions in cases where 2D grids allow extrusion or axial symmetry.
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Título: Caracterização das propriedades mecânicas e microestruturais do ferro pudlado
Nome do Aluno: Iara Gripp Oliveira
Nome do Orientador: Juan Manuel Pardal
Resumo:
Durante a Revolução Industrial, novas demandas por qualidade e produtividade impulsionaram o desenvolvimento de materiais adequados. Em 1784, Henry Cort introduziu o Puddling Process, um novo método de fabricação de materiais ferrosos. Devido às limitações tecnológicas da época, o ferro puddado resultante possuía uma microestrutura heterogênea composta principalmente por ferrita e inclusões não metálicas grosseiras. Ainda hoje, muitas estruturas ao redor do mundo — como pontes e ferrovias — utilizam esse material. O objetivo deste trabalho é caracterizar microestruturalmente o ferro puddado utilizando microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de energia (EDS) e microtomografia computadorizada. Busca-se correlacionar os dados dessas técnicas com as propriedades mecânicas do material. Além disso, foi realizada uma simulação termodinâmica computacional para investigar a influência de determinados elementos na resposta mecânica. Os resultados revelam forte influência da anisotropia microestrutural nas propriedades de dureza, tração e impacto. Dado que muitas dessas estruturas permanecem em operação sob carregamentos cíclicos, recomenda-se um controle rigoroso da microestrutura desses componentes, considerando seu longo tempo de serviço e o risco de degradação localizada das propriedades mecânicas.
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Título: Validação experimental do controle de crescimento de trinca proposto com base no método da derivada topológica utilizando a correlação de imagens digitais
Nome do Aluno: Guilherme Cardoso Ribeiro de Barros
Nome do Orientador: Marcel Duarte da Silva Xavier
Resumo:
Trabalhos recentes propuseram o uso da derivada topológica como método para controlar o crescimento de trincas, visando estender a vida útil de componentes mecânicos danificados. A estratégia consiste em minimizar um funcional de forma, baseado na integral de Rice, por meio da introdução de inclusões rígidas e moles afastadas da ponta da trinca, conforme indicado pela derivada topológica. Simulações numéricas, com base no critério de energia de Griffith, indicam que essa abordagem pode aumentar a tenacidade à fratura em cerca de 20%. Este trabalho tem como objetivo validar experimentalmente essa proposta, utilizando a técnica de correlação de imagens digitais (DIC) para medir deslocamentos e calcular o funcional de forma. Os testes laboratoriais confirmaram que as alterações topológicas recomendadas pelo método resultam em uma redução de aproximadamente 27% no valor do funcional de forma, evidenciando a viabilidade da técnica como ferramenta para controle de propagação de trincas.
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Título: Análise da Influência do Tempo de Aplicação de Adesivos na Eficácia de Sistemas para Reparo de Tubulações
Nome do Aluno: Diogo Lieres da Silva
Nome do Orientador: Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
Um método alternativo para reparar defeitos gerados por corrosão uniforme em regiões localizadas das paredes de tubulações é a aplicação de uma luva de compósito sobre a área danificada. Entre a superfície metálica e o material compósito, utiliza-se um adesivo epóxi, cuja camada deve apresentar um acabamento suave para garantir melhor desempenho do reparo. O controle da superfície é fundamental para evitar a formação de espaços entre o substrato e a luva de compósito, o que comprometeria a integridade da união. Diversos fatores podem influenciar a eficácia desse tipo de reparo, como o acabamento superficial, a espessura do compósito e o tempo de cura do adesivo. O presente estudo investiga, especificamente, a influência do tempo entre a mistura do adesivo (resina epóxi e agente de cura) e sua aplicação ao substrato, sobre a resistência do reparo. A literatura aponta que a pressão de falha pode variar significativamente em função desse intervalo de tempo. Os sistemas de reparo de tubos com compósitos representam uma alternativa vantajosa, pois dispensam a interrupção da linha durante o procedimento, desde que não haja geração de faísca ou calor. Para a avaliação, foi utilizada a técnica Blister Test, com realização de testes hidrostáticos para determinação da pressão de falha. As amostras foram preparadas conforme os seguintes intervalos de tempo após a mistura da resina com o endurecedor: 0, 4, 8 e 12 minutos. Em cada condição, foram realizados 9 ensaios, totalizando 36 amostras testadas. Todos os testes foram conduzidos no Laboratório de Ensaios em Dutos (LED), com o objetivo de verificar a influência do tempo de aplicação do adesivo na resistência final dos reparos com compósito de fibra de vidro laminada.
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Título: BESO-LS: Otimização Topológica Estrutural Combinando os Métodos BESO e de Representação de Domínio por Função Level-Set
Nome do Aluno: Diego Santos Duarte
Nome do Orientador: Marcel Duarte da Silva Xavier
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Nos últimos anos, o campo da otimização topológica estrutural tem acumulado importantes contribuições científicas, destacando-se os métodos SIMP, BESO e da derivada topológica. Há um interesse crescente na solução de problemas complexos de engenharia, especialmente os multifísicos e não lineares, que podem ser tratados de forma mais simples por técnicas com análise puramente discreta, como é o caso do BESO. Mais recentemente, a penalização de material do SIMP e o método phase-field foram incorporados ao BESO, resultando em melhorias significativas nos resultados obtidos. Nesse contexto, este trabalho propõe um método alternativo de otimização topológica, visando aproveitar os benefícios das análises discretas. A proposta consiste em adaptar a sensibilidade da nova versão do BESO ao método de representação de domínio por função level-set (LS). O método proposto, denominado BESO-LS, utiliza a sensibilidade do BESO para guiar a evolução da função level-set em direção a um mínimo local do problema de otimização topológica. Esta técnica se destaca por combinar a robustez do BESO com o critério de otimalidade advindo do método level-set, cuja formulação é notavelmente simples e eficiente. A aplicabilidade do método BESO-LS é demonstrada por meio de exemplos numéricos voltados à minimização da complacência estrutural e à síntese de mecanismos flexíveis, evidenciando seu potencial em problemas práticos de engenharia estrutural.
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Título: Modelagem de Fratura Frágil em Placas de Kirchhoff Utilizando o Método da Derivada Topológica
Nome do Aluno: Daniel Mognato Vaneli
Nome do Orientador: Marcel Duarte da Silva Xavier
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A derivada topológica é um campo escalar que mede a sensibilidade de um dado funcional de forma em relação a uma perturbação infinitesimal no domínio, como a inserção de furos, inclusões, termos fontes ou trincas. Este conceito tem sido aplicado com sucesso em diversos problemas da física e da engenharia, e, mais recentemente, no contexto da mecânica da fratura para prever a nucleação e propagação de fissuras. Neste trabalho, é apresentada uma nova abordagem para modelar os fenômenos de nucleação e propagação de fraturas em placas frágeis. Inicialmente, o modelo de dano de Griffith-Francfort-Marigo é adaptado ao modelo de flexão em placas de Kirchhoff. Em seguida, é realizado o cálculo da derivada topológica para o funcional de forma correspondente, com respeito à nucleação de uma pequena inclusão circular com propriedades materiais distintas do meio. A sensibilidade obtida é então utilizada para propor um algoritmo de nucleação e propagação de fraturas. Neste método, todo o processo de fraturamento é governado exclusivamente pelas informações do campo de derivada topológica, permitindo a formulação de um algoritmo extremamente simples. Diversas simulações numéricas são conduzidas, demonstrando que o algoritmo é capaz de capturar fenômenos relevantes da mecânica da fratura, como padrões complexos de fraturas, desvios e bifurcações. Os resultados evidenciam a aplicabilidade da metodologia proposta para a modelagem de fratura frágil em placas.
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Título: Estudo das Tensões Residuais na Usinagem de Aço P91 por Difração de Raios-X e Ruído Magnético Barkhausen
Nome do Aluno: Bernardo Brêtas de Novaes Moniz de Aragão
Nome do Orientador: Maria da Penha Cindra Fonseca
Resumo:
Os aços Cr-Mo são aços ferrítico-martensíticos com altos teores de cromo e molibdênio, o que lhes confere excelente resistência à fluência, à fadiga e à corrosão. Esses materiais são amplamente utilizados nas indústrias petroquímica e nuclear, devido à sua alta performance em ambientes de elevada temperatura. Nessas aplicações, é essencial que os componentes usinados apresentem elevada qualidade superficial e precisão dimensional. Para garantir uma boa qualidade superficial, torna-se necessário avaliar a rugosidade, as tensões residuais e a influência dos parâmetros de corte e do tipo de ferramenta empregada. Este trabalho tem como objetivo estudar as tensões residuais e a qualidade superficial resultantes da usinagem do aço P91, utilizando o processo de fresamento de topo com diferentes tipos de insertos, seguido de retificação plana. As tensões residuais foram analisadas por difração de raios X, por meio da técnica do sen²ψ, e comparadas com os sinais obtidos por Ruído Magnético Barkhausen (RMB). Os resultados demonstraram que todas as etapas do processo geraram tensões residuais trativas. No entanto, os níveis dessas tensões foram menores após a retificação em comparação ao fresamento de topo. A retificação também proporcionou melhores resultados de rugosidade média, indicando superior qualidade superficial nas amostras submetidas a esse processo. O Ruído Magnético Barkhausen mostrou-se eficiente para identificar a natureza das tensões residuais (se trativas ou compressivas), mas não se mostrou capaz de quantificar sua magnitude com precisão.
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Título: Adição de sílica como espessante tixotrópico em um adesivo comercial - efeito na resistência de juntas híbridas de metal-compósito em ensaios de tração
Nome do Aluno: Augusto Cezar Rotolo Barreto
Nome do Orientador: Heraldo Silva da Costa Mattos
Resumo:
A aplicação de sistemas de reparo com compósitos em dutos corroídos exige um preparo adequado da superfície, garantindo os níveis de rugosidade requeridos para o uso eficaz do adesivo epóxi, que deve apresentar tempo de cura curto. A camada de adesivo precisa ter contorno suave, a fim de evitar a formação de espaços entre o substrato metálico e a luva de compósito, assegurando um bom desempenho do reparo. Este estudo aborda a introdução de um material tixotrópico com função espessante em uma resina epóxi comercial, com o objetivo de evitar o escoamento da resina em superfícies verticais durante a aplicação. Espessantes são substâncias capazes de aumentar a viscosidade de um líquido sem alterar significativamente suas demais propriedades. Neste caso, utilizou-se pó de sílica como pós-aditivo de baixo custo para ajustar a viscosidade final da resina. A concentração desse aditivo é um fator crítico, pois níveis elevados podem comprometer a resistência mecânica do adesivo. O foco do trabalho foi avaliar o efeito da adição de pó de sílica muito fino, em concentrações de até 2% em peso, na força de ruptura de juntas híbridas metal-compósito submetidas a testes de tração. Os resultados mostraram um bom equilíbrio entre viscosidade e resistência mecânica para frações muito baixas de sílica, com o melhor desempenho observado na concentração de 1,0% em peso da resina epóxi. A incorporação desse espessante tixotrópico de baixo custo mostrou-se eficaz, facilitando a aplicação da camada adesiva e mantendo boas propriedades de adesão em sistemas de reparo com compósitos.
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Título: Some Effects of the Bulk Vicosity Coefficient in Transient Flow
Nome do Aluno: André Luís Peixoto Considera
Nome do Orientador: Felipe Bastos de Freitas Rachid
Resumo:
Transient flow analysis is often performed using one-dimensional models, where accurate prediction of hydrodynamic loading requires that dissipative mechanisms be properly accounted for. However, the bulk viscosity coefficient is typically neglected in such models, despite its significant influence on the attenuation and dispersion of acoustic waves. To investigate the role of bulk viscosity in transient pipe flows, this study develops a one-dimensional water-hammer model that incorporates the bulk viscosity coefficient. Its effects are introduced directly into the mass and momentum conservation equations governing the water-hammer phenomenon. The resulting system of equations is shown to be hyperbolic, with wave speed now dependent on the bulk viscosity. The equations are solved using the Method of Characteristics (MOC) in a reservoir-pipe-valve system, where the transient event is initiated by the sudden closure of a valve. Numerical simulations are conducted to assess the impact of the bulk viscosity coefficient on transient pressure response and energy dissipation. Results indicate that bulk viscosity affects the period of the transient pressure wave and introduces dissipation in the form of localized, high-intensity spikes occurring as the wavefront passes. A global energy analysis further reveals that, under certain parameter conditions, energy dissipation due to bulk viscosity becomes comparable to that caused by wall shear stress, underscoring its relevance in transient flow modeling.
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Observação: Todas as teses e dissertações mencionadas estão disponíveis para consulta no Repositório Institucional da UFF, acessível pelo link: https://app.uff.br/riuff/
