Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35856
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-9365-1683
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo de modelos fenomenológicos anômalos nos processos de transferência de calor e de massa
Alternate title (s): Study of anomalous phenomenological models in heat and mass transfer processes
Author: Godoi, Felipe Augusto Paes de
First Advisor: Damasceno, João Jorge Ribeiro
First coorientator: Lobato, Fran Sérgio
First member of the Committee: Arouca, Fábio de Oliveira
Second member of the Committee: Coutinho Filho, Ubirajara
Third member of the Committee: Buske, Daniela
Fourth member of the Committee: Santos, Fabiano Fortunato Teixeira dos
Summary: Tradicionalmente, as Leis de Fourier e Fick são utilizadas para a caracterização dos modelos de transferência de calor e massa, respectivamente. Apesar de produzirem bons resultados na grande maioria dos estudos de casos, há algumas situações em que estas leis não apresentam uma boa precisão. Isso é observado quando se têm escalas muito pequenas das variáveis espacial e temporal e os gradientes de temperatura e concentração são consideravelmente altos. Nesses casos verifica-se a ocorrência de fenômenos anômalos. Uma das estratégias que têm sido utilizadas para generalizar as duas leis corresponde ao uso de modelos compostos por derivadas de ordem não inteira. Neste trabalho considera-se um modelo que apresenta derivadas temporais de primeira e segunda ordem, um parâmetro de atraso no tempo e derivadas espaciais, sendo uma de primeira ordem e a outra de ordem fracionária. Para resolver o modelo foram propostas duas abordagens, o Método Pseudo-Espectral de Legendre e o Método das Diferenças Finitas Fracionário, considerando uma definição de derivada fracionária para cada abordagem. Ambos os métodos foram aplicados em problemas puramente matemáticos, para fins de validação, e em problemas de transferência de calor e de massa. Com o objetivo de estimar os parâmetros do modelo, um problema inverso de transferência de calor na pele utilizando dados experimentais sintéticos e três problemas inversos de transferência de massa empregando dados experimentais reais foram formulados e resolvidos considerando o algoritmo de Evolução Diferencial. Para garantir a consistência dimensional dos termos difusivos fracionários, um fator de correção de unidades foi proposto. De forma geral, as duas estratégias utilizadas na resolução dos problemas diretos demonstraram uma boa precisão quando comparadas as soluções aproximadas e analíticas. Do ponto de vista físico foi possível verificar a influência dos parâmetros do modelo nos perfis de temperatura e concentração obtidos. Os resultados obtidos na resolução de cada problema inverso estão qualitativamente de acordo com os apresentados na literatura especializada e indicam que o modelo hiperbólico fracionário espacial proposto é uma boa alternativa para descrever fenômenos anômalos de transferência de calor e de massa.
Abstract: Traditionally, Fourier and Fick Laws are used for the characterization of heat and mass transfer models, respectively. Despite producing good results in many cases, there are some situations in which these laws do not have a good precision. This is observed when the scales of spatial and time variables are very low and the gradient of temperature and concentration are very high. In these cases, the anomalous phenomena is characterized. One of strategies that have been used to generalize both laws corresponds to use of models with non-integer order derivatives. In this work, one model that presents first and second order temporal derivatives, one time delay factor and spatial derivatives, being one with first order and other with fractional order, is considered. To solve the model, the Legendre Pseudo-Spectral Method and the Fractional Finite Difference Method were proposed. Each one considers a definition for fractional derivative. Both methods were applied in purely mathematic problems, for validation purposes, and heat and mass transfer problems. To estimate the parameters of the model, one inverse heat transfer problem in the skin using synthetic experimental data and three inverse mass transfer problems using real experimental data were formulated and solved by considering the Differential Evolution Algorithm. To guarantee the dimensional consistency of fractional diffusive terms, a correction factor was proposed. Both strategies used to solve direct problems demonstrated a good accuracy when approximate and exact solutions were compared. From the physical point of view, it was possible to verify the influence of model parameters on obtained temperature and concentration profiles. The obtained results considering all inverse problems are qualitatively coherent in relation with those presented in specialized literature and indicate that the proposed spatial fractional hyperbolic model configure a good alternative to describe the anomalous phenomena in heat and mass transfer.
Keywords: Fenômenos Anômalos
Anomalous Phenomena
Transferência de Calor e de Massa
Heat and Mass Transfer
Modelo Hiperbólico Fracionário Espacial
Spatial Fractional Hyperbolic Model
Método Pseudo-Espectral de Legendre
Legendre Pseudo-Spectral Method
Método das Diferenças Finitas Fracionário
Fractional Finite Difference Method
Evolução Diferencial
Differential Evolution
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Subject: Engenharia química
Anômalos
Meios de transferência de calor
Massa - Transferência
Espaços hiperbólicos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: GODOI, Felipe Augusto Paes de. Estudo de modelos fenomenológicos anômalos nos processos de transferência de calor e de massa. 2022. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.302
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.302
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/35856
Date of defense: 29-Jul-2022
Appears in Collections:TESE - Engenharia Química

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