https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/74817 2026-04-30T10:49:39Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/272680 Numerical modeling of multiphase flow in membraneless electrolyzers Lima, Juan Torres de O hidrogênio representa um importante vetor energético para enfrentar os desafios da sustentabilidade e da transição para fontes limpas. O método de decomposição da água por meio de fontes renováveis corresponde à produção de hidrogênio verde, ou seja, hidrogênio e oxigênio gasosos gerados a partir da água como subprodutos. O uso de membrana eleva significativamente o custo de operação e de comercialização dos eletrolisadores para a produção de H2, devido à necessidade de materiais de alto custo. No entanto, os eletrolisadores sem o uso de membranas ou de qualquer tipo de separador de compartimentos de gases permitem a produção de hidrogênio com maior viabilidade econômica e escalabilidade industrial. Em relação ao desempenho do eletrolisador sem membrana, este está intrinsecamente ligado ao comportamento do fluxo bifásico, em que bolhas dispersas se encontram no meio contínuo (eletrólito). Essa dissertação foca em três estudos de simulação numérica desenvolvidos para eletrolisadores sem membrana. O primeiro investiga, com base em validação, a comparação entre dois modelos multifásicos ? o modelo de mistura e o modelo Euler-Euler ?, ambos presentes na literatura e realizados em regime permanente. Como resultado, mostrou-se que ambos os modelos multifásicos apresentaram boa precisão para eletrolisadores operando em baixas densidades de corrente. No entanto, para uma faixa de densidade de corrente mais alta, o modelo Euler-Euler apresentou uma discrepância maior em relação aos dados experimentais, devido à maior necessidade de um termo-fonte adicional na equação da quantidade de movimento para tratar as estruturas turbulentas. Por outro lado, o modelo de mistura foi capaz de prever melhor o comportamento da fase gasosa devido ao modelo proposto de fechamento das velocidades relativas entre as fases e, principalmente, à dependência da velocidade de autodispersão em relação ao diâmetro da bolha. No segundo estudo, inspirado na otimização de problemas termohidráulicos e/ou de aquecimento por fontes discretas, propõe-se uma nova disposição dos eletrodos, controlada por uma variável ß, na qual se considera, de forma parcial ou total, a aplicação da injeção de gás no canal, o que implica diferentes espessuras de camada limite de gás e uma distribuição não uniforme de gás no eletrolisador. Camadas de limite de gás mais espessas são formadas quando o eletrodo inferior está ativo. Esses comportamentos são justificados pelo modelo implementado para a variação do tamanho da bolha em função da densidade de corrente. Por fim, o último estudo complementa os dois primeiros, com o objetivo de mitigar o risco de cruzamento de gás presente em eletrolisadores sem membranas. Aqui, a produção de gás é maximizada em função do espaçamento entre os eletrodos, e analisam-se os efeitos do cruzamento dos gases, dados um número de Reynolds (Re) e um diâmetro de bolha adimensionais fixos.; Abstract: Hydrogen is establishing itself as an important energy vector to address the challenges of sustainability and the transition to clean sources. The method of decomposing water using renewable sources leads to the production of green hydrogen, i.e., gaseous hydrogen and oxygen generated from water as a byproduct. The use of membranes significantly increases the operating costs of commercializing electrolyzers for the production of H2 due to the need for expensive materials. However, electrolyzers without membranes or any type of gas compartment separator allow for hydrogen production with greater economic viability and industrial scalability. In this context, the performance of a membraneless electrolyzer is intrinsically linked to the behavior of the two-phase flow where dispersed bubbles meet in the continuous medium (electrolyte). This work explores three numerical simulation studies developed for membraneless electrolyzers. First, investigates, based on validation, the comparison of two multiphase models presented in the literature, performed under steady-state conditions. As a result, it was shown that both multiphase models presented good accuracy for electrolyzers operating at low current densities. However, for a higher current density range, the Euler-Euler model demonstrated a greater discrepancy with experimental data due to the greater need for an additional source term in the momentum equation to account for turbulent structures. On the other hand, the mixture model was able to better predict gas-phase behavior due to the proposed model of closure of relative velocities between phases, and especially the dependence of the self-dispersion velocity on bubble diameter. The second study, inspired by optimization processes for maximizing heat transfer density through the discrete heat source approach, proposes a new electrode arrangement controlled by a ß variable that partially or fully considers the application of gas injection in the channel, resulting in different plume thicknesses and a non-uniform gas distribution in the electrolyzer. Thicker gas plumes are obtained when the bottom electrode is active. These behaviors are justified by the implemented model, which explains the variation in bubble size with current density. Finally, the last study complements the first two in an attempt to mitigate gas crossover in membraneless electrolyzers. Here, gas production is maximized relative to spacing, and the effects of gas crossover are analyzed, given a fixed Reynolds number (Re) and dimensionless bubble diameter. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/272149 Investigação numérico-experimental do sistema hidráulico de máquinas de lavar louça Milagres, Aron Martins Ferreira Um dos principais desafios e oportunidades para melhorar o desempenho de lavadoras de louça consiste no gerenciamento do sistema hidráulico, composto por dutos de alimentação e braços que giram e distribuem água sobre a louça. Este trabalho apresenta uma análise numérica e experimental integrada desses sistemas hidráulicos. Nesse sentido, um modelo de parâmetros concentrados (MPC) foi desenvolvido para prever a resposta do sistema em diferentes condições de operação, no qual a perda de carga em cada componente é representada por correlações. Perdas de carga distribuídas são estimadas de correlações disponíveis na literatura e perdas localizadas em componentes de geometria complexa são determinadas através de um modelo CFD validado experimentalmente. Além disso, uma bancada experimental foi construída para medir a vazão individual dos braços aspersores e a potência e a corrente consumidas pela bomba. Os resultados de vazão dos braços do MPC diferiram em até 14% em relação aos dados experimentais. As principais fontes de erro verificadas foram vazamentos do sistema hidráulico devido a folgas e erros relacionados às próprias correlações de perda de carga. O transiente do sistema foi avaliado comparando a potência consumida pela bomba em diferentes rampas de aceleração, com diferenças inferiores a 9,1%. Uma abordagem numérico-experimental determinou a constante de torque do motor, possibilitando o MPC prever a corrente elétrica com erros inferiores a 10,7%. Uma análise experimental da dinâmica do reservatório foi também realizada, mostrando que parte da água se acumula no gabinete de lavagem de forma proporcional à velocidade de rotação da bomba, mas sem alterações significativas na dinâmica devido à presença de louça. Por fim, o potencial de aplicação do MPC é demonstrado na análise do efeito da alteração geométrica de dois componentes sobre o desempenho do sistema, indicando um aumento de até 12% na vazão em um braço aspersor, enquanto mantendo os níveis de potência elétrica e corrente consumidas pelo motor.; Abstract: One of the main challenges and opportunities for improving the performance of dishwashers lies in the management of the hydraulic system, which is composed of supply ducts and arms that rotate and distribute water over the dishes. This work presents an integrated numerical and experimental analysis of these hydraulic systems. In this regard, a lumped parameter model (LPM) was developed to predict the system response under different operating conditions, in which the head loss in each component is represented by correlations. Distributed head losses are estimated from correlations available in the literature and local head losses in components with complex geometry are determined through an experimentally validated CFD model. Furthermore, an experimental test bench was built to measure the individual flow rate of the spray arms and the power and current consumed by the pump. The flow rate results for the arms from the LPM differed by up to 14% compared to the experimental data. The main sources of differences verified were hydraulic system leaks due to clearances and errors related to the head loss correlations themselves. The system transient was evaluated by comparing the power consumed by the pump at different acceleration ramps, with differences of less than 9.1%. A numerical-experimental approach determined the motor torque constant, enabling the LPM to predict the electrical current with differences below 10.7%. An experimental analysis of the reservoir dynamics was also performed, showing that part of the water accumulates in the wash cabinet proportionally to the pump rotation speed, but without significant changes in the dynamics due to the presence of dishes. Finally, the potential application of the LPM is demonstrated in the analysis of the effect of geometric alteration of two components on the system performance, indicating an increase of up to 12% in the flow rate in a spray arm, while maintaining the levels of electrical power and current consumed by the motor. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/272135 Avaliação experimental do crescimento e adensamento da geada formada em condições típicas de refrigeradores domésticos Podgaietsky, Gabriel Longen Este trabalho aborda a avaliação experimental do crescimento e adensamento da geada em canais de placas paralelas, focando especificamente nas condições de operação de refrigeradores domésticos. Uma revisão da literatura revelou que as correlações existentes para a densidade da geada, quando extrapoladas para tais condições, apresentam divergências, com previsões de espessura variando em até 100 vezes entre si. Para preencher esta lacuna, foi projetado e construído um aparato experimental (túnel de vento vertical) capaz de controlar velocidade, temperatura e umidade do ar, além da temperatura da superfície de teste. A massa de geada foi determinada por balanços no ar a partir de medições psicrométricas na entrada e saída da seção de teste, e a espessura foi medida por um sistema de visualização com câmera e processamento de imagem. Foram realizados 46 testes experimentais que permitiram caracterizar os efeitos sobre a espessura, massa e densidade da geada, dos parâmetros operacionais: diferença de umidade absoluta (??); temperatura de superfície (Tw); sobretemperatura (OT); velocidade do ar (u); distância entre superfícies (Fp); e tempo de formação (t). Com base nessas medições, foi derivada uma nova correlação semiempírica para a densidade da geada. Esta correlação demonstrou o melhor desempenho entre todos os modelos recentes da literatura avaliados, prevendo 98% dos dados experimentais dentro de uma margem de erro de 20%. Finalmente, o estudo avaliou modelos físicos de formação de geada. O modelo algébrico de Hermes (2012), que utiliza a temperatura da superfície da geada (Tf) como entrada para a densidade, apresentou a melhor concordância geral com os dados, com 95% dos pontos dentro de uma margem de 20%, tanto para massa quanto para espessura. Foi verificado também que o modelo de Hermes (2012) é capaz de prever a variação de espessura ao longo do canal devido ao processo natural de desumidificação do ar. Um novo modelo baseado na correlação de densidade proposta neste trabalho, também foi desenvolvido e mostrou-se uma alternativa para simulações de baixo custo computacional e fácil implementação.; Abstract: This work addresses the experimental evaluation of frost growth and densification in parallel plate channels, focusing specifically on the operating conditions typical of household evaporator coils. A literature review revealed that existing correlations for frost density, when extrapolated to such conditions, exhibit discrepancies, with thickness predictions varying by up to 100 times among them. To fill this gap, an experimental apparatus (vertical wind tunnel) was designed and built, capable of controlling air velocity, temperature, and humidity, in addition to the test surface temperature. The frost mass was determined by air-side mass balancesfrom psychrometric measurements at the inlet and outlet of the test section, and the thickness was measured by a visualization system with a camera and image processing. 46experimental tests were carried out, which allowed characterizing the effects on frost thickness, mass, and density, of the operational parameters: absolute humidity difference (??); surface temperature (Tw); overtemperature(OT); air velocity (u); distance between surfaces (Fp); and formation time (t). Based on these measurements, a new semi-empirical correlation for frost density was derived. This correlation demonstrated the best performance among all recent literature models evaluated, predicting 98% of the experimental data within a 20% error margin. Finally, the study evaluated physical models of frost formation. Hermes (2012) algebraic model, which uses the frost surface temperature (Tf) as input for density, showed the best overall agreement with the data, with 95% of the points within a 20% margin, for both mass and thickness. It was also verified that Hermes (2012) model can predictthe variation of thickness along the channel due to the natural air dehumidification process. A new model based on the density correlation proposed in this work was also developed and proved to be an alternative for low computational cost and easy implementation simulations. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/271995 Desenvolvimento e avaliação de um Sistema Estéreo Inercial baseado em ORB-SLAM3 Galvão, Leonardo Sales O presente trabalho apresenta um sistema de visão estéreo-inercial de grau industrial, projetado para a navegação autônoma de Veículos de Operação Remota (ROVs) em ambientes subaquáticos, e a análise metrológica da incerteza de medição resultante. O sistema utiliza um conjunto de câmeras estéreo e uma Unidade de Medição Inercial (IMU) montados rigidamente e adota o algoritmo ORB-SLAM3 no modo estéreo-inercial, reconhecido por melhorar a fusão de dados e a incerteza de medição dos resultados. A metodologia incluiu uma calibração rigorosa dos parâmetros intrínsecos e extrínsecos, com validação geométrica de alinhamento em relação a um modelo CAD para a transformação Câmera?IMU. A avaliação do sistema foi realizada inteiramente em ambiente terrestre controlado. A avaliação da incerteza de medição da trajetória empregou um ground truth micrométrico baseado em interferometria a laser em uma guia linear, analisando o Erro de Pose Absoluta (APE), o Erro de Pose Relativa (RPE) e a repetibilidade de medição. Adicionalmente, avaliou-se a incerteza de medição geométrica da nuvem de pontos 3D, comparando-a a um modelo de referência improvisado gerado por fotogrametria, o qual possui incerteza de medição conhecida. Os resultados demonstraram que a abordagem de acoplamento rígido e a calibração metrológica conferem ao sistema elevada estabilidade operacional e uma incerteza de medição consistente da trajetória em cenários controlados. A análise estatística confirmou que a parametrização otimizada viabiliza uma incerteza de medição do deslocamento coerente com as exigências de aplicações de navegação em superfície terrestre. Obteve-se também uma reconstrução 3D com incerteza de medição verificável quando comparada ao modelo de referência. O trabalho estabelece uma base validada e confiável para a transposição futura do sistema para aplicações subaquáticas no âmbito do Projeto VORIS.; Abstract: The present work presents an industrial-grade stereo-inertial vision system designed for the autonomous navigation of Remotely Operated Vehicles (ROVs) in subsea environments, and a metrological analysis of the resulting measurement uncertainty. The system uses a set of stereo cameras and an Inertial Measurement Unit (IMU) rigidly mounted and adopts the ORB-SLAM3 algorithm in stereo-inertial mode, recognized for improving data fusion and measurement accuracy. The methodology included rigorous calibration of intrinsic and extrinsic parameters, with geometric alignment validation against a CAD model for the camera?IMU transformation. The system assessment was performed entirely in a controlled terrestrial environment. The evaluation of trajectory measurement uncertainty employed a micrometric ground truth based on laser interferometry on a linear guide, analyzing the Absolute Pose Error (APE), Relative Pose Error (RPE), and measurement repeatability. Additionally, the geometric measurement uncertainty of the 3D point cloud was evaluated by comparison with an improvised reference model generated by photogrammetry with known measurement uncertainty. The results demonstrated that the rigid coupling approach and the metrological calibration confer high operational stability and consistent trajectory measurement uncertainty to the system in controlled scenarios. Statistical analysis confirmed that the optimized parametrization enables a displacement measurement accuracy coherent with the demands of navigation applications on the terrestrial surface. A 3D reconstruction with verifiable measurement uncertainty was also achieved when compared to the reference model. The work establishes a validated and reliable basis for the future transposition of the system to subsea applications within the VORIS Project. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z