1-introdução aos fenômenos de transporte
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Introdução aos fenômenos de transporte
Johannes Gérson Janzen
17 de maio de 2016
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Table of contents
1 IntroduçãoFormulação EmṕıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulação Numérica
2 Etapas CFDDomı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são Resolvidas
Análise dos Resultados e Validação3 Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Reservatório de Lichtenberg, Karlsruhe, Alemanha
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Reservatório de Lichtenberg, Karlsruhe, Alemanha
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Reservatório de Lichtenberg, Karlsruhe, Alemanha
Dados
Altura da água oscila entre 1 e2 m
Vazão de entrada = 40 m3/h
Vazão de sáıda = 3,6 m3/h
Diâmetro da tubulação= 0,15 m
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Problema no Reservatório de Lichtenberg
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F l ˜ E ´ i
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Experimento em Laboratório: Leis de Similaridade
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F l ˜ E ´ i
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaçao EmpıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Entrada (vista lateral)
(Befuellung1.WMV)
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Formulac̃ao Empı́rica
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaçao EmpıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Entrada (vista de cima)
(Befuellung2.WMV)
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Formulac̃ao Empı́rica
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaçao EmpıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Conclusões dos Experimentos
Conclusões
Intensa mistura na região daentrada, mas não homogênea
Região de mistura fortementelimitada pela parede
A quantidade de movimento deentrada é “dissipada” na parede
Qualitativo: Mistura completaapós 2h
Configuração de entrada nãootimizada para mistura
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I d ˜Formulac̃ao Empı́rica
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Formulaçao EmpıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Sáıda (vista lateral 1)
(Entleerung1.WMV)
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I t d ˜Formulac̃ao Empı́rica
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IntroduçaoEtapas CFD
Aplicações
Formulaçao EmpıricaFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Sáıda (vista lateral 2)
(Entleerung2.WMV)
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IntroducãoFormulaç̃ao Empı́rica
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IntroduçaoEtapas CFD
Aplicações
¸ pFormulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Conclusões dos Experimentos
Conclusões
Quase nenhuma dinâmica /mistura
As regiões distantes demorampara ficarem “ativas”
Configuração de sáıda não
otimizada para mistura
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IntroducãoFormulaç̃ao Empı́rica
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IntroduçaoEtapas CFD
Aplicações
Formulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Tempo de Mistura
Tempo De Mistura
Tempo para o qual o desvio padrãoda concentração é inferior a 5% daconcentração média.
Coeficiente de Variação
COV = σ
C̄
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IntroduçaoEtapas CFD
Aplicações
Formulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Solução Emṕırica
Tempo de Mistura
τ m = t m
√ uQ
D 2 = 10 para
H
D ≤0,8
Tempo de Mistura
τ m =
t m√ uQ
D 2 = 10+3,5H D − 1
para H
D > 0,8
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IntroducãoFormulaç̃ao Empı́ricaF l ˜ I l
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IntroduçaoEtapas CFD
Aplicações
Formulação IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Vantagens e Desvantagens: Formulação Emṕırica
Vantagens e DesvantagensEscala
Medição
Custo
Tempo
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IntroduçãoFormulaç̃ao Empı́ricaF l ˜ I t l
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¸Etapas CFD
Aplicações
Formulaçao IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Experimento de Campo
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IntroduçãoFormulaç̃ao Empı́ricaFormulacão Integral
-
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¸Etapas CFD
Aplicações
Formulaçao IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Experimento de Campo
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IntroduçãoFormulaç̃ao Empı́ricaFormulacão Integral
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Etapas CFDAplicações
Formulaçao IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Resultado (h=1 m)
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IntroduçãoC
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulacão Integral
-
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Etapas CFDAplicações
Formulaçao IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Vantagens e Desvantagens: Formulação Emṕırica
Vantagens e Desvantagens
Medição (desinfetado,dificuldade, etc.)
Perda de dinheiro (água,reservatório parado)
Mais real
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IntroduçãoE CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulacão Integral
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Etapas CFDAplicações
Formulaçao IntegralFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Formulação Integral: “Caixa Preta”
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IntroduçãoEt s CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação Integral
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Etapas CFDAplicações
¸ gFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Regimes de Escoamento Ideal:
Fluxo Pistão e Mistura Completa
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação Integral
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Etapas CFDAplicações
¸ gFormulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Regimes de Escoamento Ideal:
Fluxo Pistão e Mistura Completa
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação Integral
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Etapas CFDAplicações
Formulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Escoamento Real em Reservatórios
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralF l ˜ Dif i l
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Etapas CFDAplicações
Formulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Vantagens e Desvantagens: Formulação Integral
Vantagens e DesvantagensSolução anaĺıtica
Modelo simplificado
Mais real
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralF l ˜ Dif i l
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Etapas CFDAplicações
Formulação DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Formulação Diferencial
Equações de ConservaçãoMassa
Massa de um Composto
Quantidade de
Movimento
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralForm lacão Diferencial
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pAplicações
Formulaçao DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Conservação de Massa e de Quantidade de Movimento
Conservação de Massa
∂ u
∂ x
+ ∂ v
∂ y
+ ∂ w
∂ z
= 0
Conservação da Quantidade de Movimento em x
ρg x −∂ p
∂ x +µ∂ 2u ∂ x 2 +
∂ 2u
∂ y 2 + ∂ 2u
∂ z 2
= ρu ∂ u
∂ x + v ∂ u
∂ y + w ∂ u
∂ z + ∂ u
∂ t
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Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulacão Diferencial
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AplicaçõesFormulaçao DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Conservação de Massa p/ a Concentração de umComposto
Conservação de Massa p/ a Concentração de um Composto
∂ C
∂ t + u
∂ C
∂ x + v
∂ C
∂ y + w
∂ C
∂ z =
∂
∂ x
D ∂ C
∂ x
+ ∂
∂ y
D ∂ C
∂ y
+
∂
∂ z D
∂ C
∂ z
+ ġ
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IntroduçãoEtapas CFD
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulacão Diferencial
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AplicaçõesFormulaçao DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Escoamento Laminar e Turbulento
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A li ˜
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulacão Diferencial
-
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AplicaçõesFormulaçao DiferencialFormulaç̃ao Numérica
Escoamento Laminar e Turbulento
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IntroduçãoEtapas CFD
A li ˜
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulacão Diferencial
-
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Aplicaçoesu ¸
Formulaç̃ao Numérica
Decomposição de Reynolds
Velocidade
u = U + u
Concentraçãoc = C + c
Śımbolos
u - grandeza instantâneaU ou u - grandeza média
u - flutuação instantâneada grandeza
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Aplicacões
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação Diferencial
-
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Aplicaçoes¸
Formulaç̃ao Numérica
Velocidade Média
Velocidade Média
u = 1T
T
0
udt
u - velocidade média
T - tempo para obtençãoda média
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Aplicacões
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação Diferencial
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AplicaçoesFormulaç̃ao Numérica
Conservação da Quantidade de Movimento
Conservação da Quantidade de Movimento em x
ρg x − ∂ p ∂ x
+ ∂ ∂ x
µ∂ u ∂ x − ρu u
∂ ∂ y
µ∂ u ∂ y − ρu v
+
+ ∂
∂ z
µ∂ u
∂ z − ρu w
= ρ
u ∂ u
∂ x + v
∂ u
∂ y + w
∂ u
∂ z +
∂ u
∂ t
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Aplicacões
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação Diferencial
-
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AplicaçoesFormulaç̃ao Numérica
Vantagens e Desvantagens: Formulação Diferencial
Vantagens e Desvantagens
Mais geralFórmula fechada
Restrita a geometrias eprocessos f́ısicos simples
Geralmente restrita aproblemas lineares
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Aplicacões
Formulaç̃ao Empı́ricaFormulação IntegralFormulação DiferencialF l ˜ N ´ i
-
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AplicaçoesFormulaç̃ao Numérica
Formulação Numérica
Fluidodinâmica Computacional(CFD)
Doḿınio e MalhaCondições de Contorno e Iniciais
Equações de Conservação +Modelo de Turbulência +
EquaçãoAnálise dos Resultados
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasA ´li d R lt d V lid ˜
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p ¸Analise dos Resultados e Validaçao
Doḿınio
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validacão
-
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p ¸Analise dos Resultados e Validaçao
Discretização do Doḿınio
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validacão
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Analise dos Resultados e Validaçao
Condições de Contorno e Iniciais
Condições de Contorno eIniciais
Propriedades da água noreservatório e na entrada
Velocidade, concentração,temperatura, etc, naentrada
Profundidade
Condições nas paredes
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validacão
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Analise dos Resultados e Validaçao
Conservação da Quantidade de Movimento
Conservação da Quantidade de Movimento em x
ρg x −∂ p
∂ x +
∂
∂ x
µ∂ u
∂ x − ρu u
∂
∂ y
µ∂ u
∂ y − ρu v
+
+ ∂
∂ z
µ∂ u
∂ z − ρu w
= ρ
u ∂ u
∂ x + v
∂ u
∂ y + w
∂ u
∂ z +
∂ u
∂ t
Viscosidade Turbulenta
µtxy = −ρu v
∂ v ∂ y
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validacão
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Analise dos Resultados e Validaçao
Modelos de turbulência para estimativa de µtxy
Modelos de turbulência para estimativa de µtxy
Viscosidade turbulenta constante
Prandtl
Energia cinética turbulenta, k
Energia cinética turbulenta, k , e taxa de dissipação de energiacinética,
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validação
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¸
Conservação de Massa p/ a Conc. de um Composto
Conservação de Massa p/ a Concentração de um Composto
∂ C
∂ t + u
∂ C
∂ x + v
∂ C
∂ y + w
∂ C
∂ z =
∂
∂ x
D ∂ C
∂ x − u c
+
+
∂
∂ y D
∂ C
∂ y − v
c
+
∂
∂ z D
∂ C
∂ z − w
c
+ ġ
Difusividade Turbulenta
D tx
=−u c
∂ C ∂ x
Número de Schmidt, Sc
Sc = µtxy
D tx Johannes Gérson Janzen Introdução aos fenômenos de transporte
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validação
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Análise dos Resultados
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validação
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Análise dos Resultados
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validação
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Verificação e Validação
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Aplicações
Domı́nio e Discretização do DoḿınioCondições de Contorno e IniciaisEquações Algébricas são ResolvidasAnálise dos Resultados e Validação
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Vantagens e Desvantagens: Formulação Numérica
Vantagens e Desvantagens
Não há restrição à linearidade
Geometrias e processos
complicadosEvolução temporal do processo
Prescrição das condições decontorno apropriadas
Custo computacionalErros (truncamento, malha,etc.)
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
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Problema:Hipótese de Mistura Completa em Junções de Tubulações
Concentração de Sáıda
C s = ni =1 Q i C i ni =1 Q i
C - concentração
Q - vazão
Exemplo
C s = Q · 1 + Q · 0
Q + Q = 0,5
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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Mistura em Junções de Tubulações
(videoC1.avi)
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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Mistura em Junções de Tubulações
(video2.wmv)
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
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Perda de Energia em Válvula de Esfera
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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Como vegetações aquáticas evoluem?
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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Feedbacks entre escoamento, vegetação e sedimentaçãopara 1 mancha
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Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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Feedbacks entre escoamento, vegetação e sedimentaçãopara 2 manchas lado a lado
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
-
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53/60
Feedbacks entre escoamento, vegetação e sedimentaçãopara 2 manchas - diferentes configurações
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
F db k d
-
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54/60
Feedbacks entre escoamento, vegetação e sedimentaçãopara 6 manchas
(SCENARIO3.mp4)
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
Di ˜ d Ól C d’´
-
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Dispersão de Oleo em Corpos d’água
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
Di ˜ d Ól C d’´
-
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56/60
Dispersão de Oleo em Corpos d’água
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
Di ˜ d Ól C d’´
-
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57/60
Dispersao de Oleo em Corpos d’água
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
AVAC
-
8/17/2019 1-Introdução aos fenômenos de transporte
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AVAC
AVAC
Tecnologia destinada ao
conforto ambiental interior.
Funções
Aquecimento
Ventilação
Ar Condicionado
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
AVAC
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59/60
AVAC
(HVAC.wmv)
Considerações
Temperatura doambiente
Umidade
Transferência decalor
Escoamento de ar
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IntroduçãoEtapas CFD
Aplicações
Infra-estrutura urbanaMeio AmbienteInfra-estrutura Predial e Industrial
Conforto em Ambiente de um Edif́ıcio
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Conforto em Ambiente de um Edifıcio
(HVAC.wmv)
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