Universidade
Federal do Rio Grande

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3D numerical analysis about the shape influence of the hydro-pneumatic chamber in an oscillating water column (owc).
(2015) Isoldi, Liércio André; Grimmler, Juliana do Amaral Martins; Letzow, Max; Souza, Jeferson Avila; Gomes, Mateus das Neves; Rocha, Luis Alberto Oliveira; Santos, Elizaldo Domingues dos
The oceans represent one of the major energy natural resources, which potentially can be used to supply the World energy demand. In the last decades some devices to convert the wave ocean energy into electrical energy have been studied. In this work the operating principle of an Oscillating Water Column (OWC) converter was analyzed with a transient 3D numerical methodology, using the Finite Volume Method (FVM) and the Volume of Fluid (VOF) model. The incident waves on the OWC hydropneumatic chamber cause an oscillation of the water column inside the chamber producing an alternate air flow through the chimney. The air drives a turbine that is coupled to an electric generator. The aim of this work was to investigate the shape influence of the hydro-pneumatic chamber geometry in the air flow. For this, six cases were studied in laboratory scale and the results showed that the variation of the OWC chamber shape can improve 12.4% the amount of mass air flow.
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Aerodynamical and mechanical design of turbine blade
(2009) Santos, Sonia Magalhães dos; Pinho, Jean Monteiro de; Keller, Pablo Passos; Dias, Gustavo da Cunha; Santos, Elizaldo Domingues dos
The present work presents a study concerned with the project of a wind turbine. This task is basically shared in two steps. The first one is the blades aerodynamic project, with the purpose of taking more advantage of the wind kinetic energy and the second one is concerned with the mechanical project of the blades, in order to support the loads over the blades during the operation period. The graphical modeling and the mechanical project of the blades are performed with the computational softwares AutoCad® and Excel. The commercial code Ansys® is employed to analyze the mechanical resistance and the reliability of the blade. To perform the prediction of the wind action efforts over the blade is used the aerodynamic analysis including forces, such as: axial, tangential, weight and centrifugal ones, and aerodynamic momentum. The blades are composed of fiberglass shell reinforced with plastic material. Vertical and horizontal reinforcements of wood and carbon fiber, respectively, are also employed.
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An experimental study on the use of earth-air heat exchangers (EAHE)
(2014) Vaz, Joaquim; Sattler, Miguel Aloysio; Brum, Ruth da Silva; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
The thermal potential of Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) is experimentally investigated for a placementin Viamão, city located in the south of Brazil. Three independent ducts are buried in the soil, ducts A and B are installed at a depth of 1.60 m and 0.60 m apart, while duct C is installed at a depth of 0.50 m. Thethermal conditions of one build named Casa Ventura are improved with the EAHE. The temperatures forthe soil, external air and in buried ducts in several positions are acquired along one year (2007). The mainpurpose here is the achievement of the transient behavior of temperature fields for the external air, soiland buried ducts and the best periods of time for employment of device. Results showed that the monthsof May and February were the best for heating and cooling the air used in Casa Ventura, respectively.Moreover, it was developed a complete database about the transient temperatures of the soil, externalair and inside the building.
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Anais do V SEMENGO - Seminário e Workshop em Engenharia Oceânica
(2012) Fontoura, Jose Antonio Scotti; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André; Melo Filho, Eloi; Lima, Milton Luiz Paiva de; Guimarães, André Tavares da Cunha; Alves, Antonio Marcos de Lima; Olinto, Cláudio Rodrigues; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Neves, Claudio Freitas
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Anais do VI SEMENGO - Seminário e Workshop em Engenharia Oceânica
(2014) Lima, Milton Luiz Paiva de; Fontoura, Jose Antonio Scotti; Olinto, Cláudio Rodrigues; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
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Análise de malhas para geração numérica de ondas em tanques
(2012) Gomes, Mateus das Neves; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rocha, Luiz Alberto Oliveira
Este trabalho apresenta uma metodologia para a geração numérica de ondas em tanques e também um estudo de malhas a serem utilizadas em simulações numéricas da propagação de ondas regulares bidimensionais em tanques. São testados dois tipos de geração e refinamento de malhas. Assim busca-se encontrar uma malha independente que forneça resultados com acurácia e com menor esforço computacional. Foram realizadas simulações numéricas da geração de ondas através do pacote FLUENT® , que é baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). Foi empregado o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) para reproduzir a propagação da onda no tanque. Esses resultados poderão ser utilizados em trabalhos futuros, principalmente no estudo numérico de dispositivos para conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica, como por exemplo, os dispositivos de coluna de água oscilante (OWC) e de galgamento.
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Análise do comportamento mecânico de brackets da fundação de fairleads de uma plataforma fpso através de simulação numérica
(2019) Martins, Kauê Louro; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
Os sistemas de ancoragem em plataformas de produção de petróleo pois são responsáveis por manter o posicionamento da embarcação mediante ação de cargas ambientais. Usualmente tais sistemas fazem uso de diversas linhas de ancoragem, formadas por amarras e cabos de aço, aliados a diversos equipamentos situados na própria plataforma. Um destes equipamentos é o fairlead, uma roldana que guia a linha de ancoragem em direção ao deck da plataforma e não permite que cargas torcionais e horizontais se façam presentes nos demais equipamentos do sistema. As geometrias mais usuais de fairlead são fixadas a plataforma através de fundações soldadas, conhecidas como brackets. Os brackets são estruturas robustas compostas por chapas de aço espessas e de alta importância para o correto funcionamento não apenas do fairlead, mas de todo o sistema de ancoragem. Diante do exposto, o presente estudo analisou a geometria de brackets de sustentação de fairleads com chapas menos espessas que as comumente usadas, submetidos a um carregamento equivalente à solicitação ambiental máxima. A pesquisa fez uso do método Design Construtal para analisar o comportamento mecânico de 6 geometrias diferentes de brackets em relação ao limite de escoamento através de modelagem computacional desenvolvida na ferramenta Mechanical APDL do software ANSYS, que faz uso do Método dos Elementos Finitos. As geometrias estudadas foram baseadas nos brackets em operação na plataforma P-66 da Petrobras. Primeiramente, foram determinadas as cargas ambientais atuando na plataforma e as características das linhas de ancoragem para dois casos, o de carregamento máximo ambiental e o de carregamento máximo acidental, onde 4 linhas do caso anterior foram removidas. Os dados referentes a Bacia de Campos foram empregados nesses cálculos. A plataforma foi considerada estática assim como as cargas atuantes sobre ela. Os brackets são constituídos de chapas de aço AH36, com limite de escoamento de 355 MPa, e o carregamento foi aplicado a eles como pressão na região interna de uma furação que envolve um eixo acoplado ao fairlead. Para atestar o comportamento seguro dos brackets, a tensão máxima de von Mises neles deve ser inferior ao limite de escoamento do aço. As geometrias de brackets testadas são consideradas soldadas ao costado e variam entre si pela forma da chapa de aço horizontal. O modelo computacional do bracket foi desenvolvido utilizando o elemento finito do tipo sólido e as simulações foram efetuadas com malhas até cerca de 500 mil elementos finitos. Como conclusão, 3 das 6 geometrias extrapolaram a tensão de escoamento do aço, enquanto as outras 3 apresentaram valores em um dos brackets com baixo fator de segurança, mas dentro do comportamento linear. Ainda foi possível observar que o uso de chapas mais finas pode propiciar o surgimento de zonas de concentração de tensão, principalmente na região de união entre as chapas e o sólido ao redor da furação onde o carregamento é aplicado.
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Análise geométrica e numérica da transferência de calor por convecção forçada de escoamentos turbulentos em um trocador de calor de micro canal
(2023) El Halal, Youssef Bandeira; Santos, Elizaldo Domingues dos; Teixeira, Filipe Branco
O presente trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, permanente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada ao longo de um micro canal com paredes com corrugações em formato trapezoidal. A geometria do domínio é avaliada com o método Design Construtal. São aplicadas duas restrições, a área do micro canal e a área do trapézio da corrugação a montante do canal. A partir disso, são avaliados dois graus de liberdade: a razão entre a base menor e a base maior do trapézio da corrugação a montante do canal (LA2/LA1) e a razão entre a altura do trapézio e sua base maior (H1/LA1). Todos os casos são simulados para escoamentos convectivos com números de Reynolds e Prandtl iguais a ReD = 22.000 e Pr = 0,71. As equações temporais médias de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas através do Método dos Volumes Finitos implementado no software Ansys Fluent com modelo de turbulência RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e fechamento da turbulência utilizando o modelo kω - SST (Shear Stress Transport). O estudo tem por objetivo avaliar o efeito da geometria das corrugações sobre a taxa de transferência de calor e a perda de carga através do micro canal. Através do estudo foi possível encontrar a razão H1/LA1 a qual gera uma melhora de 26,2% na taxa de transferência de calor quando comparado ao pior caso para uma mesma razão LA2/LA1. Além disso, os resultados indicaram que, as maiores inserções da corrugação trapezoildal inferior conduziram a um melhor desempenho térmico do trocador, enquanto a corrugação superior possui pouca contribuição para a troca térmica. Do ponto de vista fluidodinâmico, as menores inserções na direção normal ao escoamento conduziram a menores perdas de carga, como intuitivamente esperado.
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Análise numérica da configuração geométrica em dispositivos de conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante considerando uma turbina de impulso
(2022) Santos, Amanda Lopes dos; Santos, Elizaldo Domingues dos; Conde, José Manuel Paixão
O presente trabalho apresenta um estudo numérico sobre a investigação geométrica de um dispositivo de conversão de energia das ondas dos oceanos do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), considerando uma turbina de impulso com rotação na região do duto de ar através de implementação de malha móvel. Mais precisamente, é empregado um modelo com um escoamento turbulento, transiente e incompressível de ar em um domínio bidimensional, que simula a câmara do dispositivo CAO. Nas simulações são impostas diferentes velocidades de entrada de acordo com cada geometria para que se mantenha uma mesma velocidade de ponta de pá de λ = 1.25. Primeiramente, o modelo computacional foi verificado e validado através da comparação de coeficientes de potência com os obtidos numericamente e experimentalmente na literatura para escoamentos turbulentos sobre turbinas Savonius em túnel de vento para diferentes velocidades de ponta de pá. O objetivo geral do trabalho é aplicar o Método do Design Construtal a fim de avaliar numericamente a influência da geometria da câmara trapezoidal do dispositivo sobre indicadores de performance, como a potência disponível, a potência da turbina e a eficiência. O problema é sujeito a duas restrições de área (área da região retangular da câmara do CAO e área trapezoidal de transição entre a região retangular da câmara e o duto de saída. Além disso, são investigados 2 graus de liberdade: H1/L1 (razão entre altura e comprimento da região retangular da câmara) e L2/H2 (razão entre a base menor da região trapezoidal da câmara e altura dessa região). De posse dos resultados, a geometria na qual observou-se a maior eficiência (η =0.601726) do dispositivo corresponde aos valores de L2/H2 = 1.0 e H1/L1 = 5.0. Entretanto, a eficiência não é o melhor indicador de performance para a análise do problema investigado aqui, pois conduz a geometrias ótimas não recomendadas. Assim, é recomendado o uso da potência da turbina. O desempenho da configuração ótima foi aproximadamente 10% superior a pior configuração, mostrando a importância da investigação geométrica nesse tipo de problema. Esta condição ótima foi obtida para a razão mais alta de L2/H2 testada, ao passo que a razão de L2/H2 = 0.75 forneceu menor potência quando comparada às outras.
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Análise numérica da geometria de aletas inseridas em cavidades dirigidas em escoamento com transferência por convecção forçada
(2016) Aldrighi, Eliciana Sias; Rocha, Luiz Alberto Oliveira; Santos, Elizaldo Domingues dos
O presente trabalho apresenta um estudo numérico de escoamento laminar em três cavidades quadradas aletadas sob o efeito de convecção forçada. O escoamento proposto é assumido bidimensional, laminar e permanente. Objetiva-se através do Design Construtal a obtenção de geometria ótima da aleta de forma a maximizar a transferência de calor entre o fluido que escoa no interior da cavidade e a aleta aquecida, para alguns números de Reynolds (ReH = 10; 50; 100 e 1000). Para isto é fixada a relação das dimensões externas da cavidade (H/L = 1) e variação da geometria da aleta entre seu comprimento e altura (H1/L1) para a otimização da troca térmica. Todas as simulações são realizadas com número de Prandtl fixo (Pr = 0,71). A relação entre a área da cavidade e a aleta é considerada fixa ( = 0,05). As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas através de um código comercial de dinâmica dos fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics) baseado no método dos volumes finitos. O Design Construtal permitiu um significativo aumento de desempenho térmico, o maior número de Nusselt (NuH) foi obtido para a aleta inserida na superfície lateral direita da cavidade com H1/L1 = 2,0 com ReH = 1000, mostrando que o desempenho térmico depende da geometria. Como esperado, a geometria tem forte influência sobre o NuH para todos os ReH avaliados.
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Análise numérica de Trocadores de Calor Solo-Ar em forma de “Y” através do método Design Construtal e de um novo Indicador de Desempenho Energético (IDE) empregando modelo computacional aprimorado
(2019) Rodrigues, Michel Kepes; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dos
O Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo constituído por dutos enterrados no solo através dos quais o ar é forçado a escoar. O ar que entra no duto pode trocar calor com o solo e sai do duto com uma temperatura mais amena em relação a sua temperatura de entrada. Em períodos quentes, o ar sofre resfriamento e, em períodos frios, o mesmo sofre aquecimento. O ar, então, troca calor com o solo, que por sua vez armazena energia térmica na sua camada superficial, sendo que esta energia é originária da radiação solar incidente na superfície terrestre, que é uma energia renovável. A principal finalidade do TCSA é proporcionar uma melhoria na condição térmica no interior de edificações, visando à redução no consumo de energia elétrica de equipamentos de condicionamento de ar tradicionalmente utilizados. A presente pesquisa sustenta-se sobre três pilares: o aprimoramento do modelo computacional de TCSA; a análise de desempenho do TCSA e o estudo de caso realizado. O objetivo geral desta pesquisa é melhorar o desempenho de TCSA em forma de "Y", por meio de um modelo computacional aprimorado, considerando um novo parâmetro de desempenho específico para este tipo de dispositivo, em um estudo de caso realizado no município de Rio Grande. Os principais destaques e contribuições desta pesquisa são: o desenvolvimento do Modelo Computacional Compacto (MOC) de TCSA; a criação do Indicador de Desempenho Energético (IDE) e o estudo de caso inédito do TCSA em forma de "Y", aplicado no município de Rio Grande. A simulação numérica, a técnica de caracterização do tipo de solo, o método de obtenção do perfil de temperaturas do solo e do ar, a técnica da Busca Exaustiva e o método Design Construtal são as principais ferramentas metodológicas empregadas neste estudo. Para aplicação do método Design Construtal, dois graus de liberdade são considerados no sistema para que o mesmo possa evoluir: a razão (L2/L1) e o ângulo Â, sendo que L2 é o ramo secundário, L1 é o ramo primário (da configuração em "Y") e Â é o ângulo formado entre o ramo secundário e a direção horizontal. Enquanto a razão (L2/L1) assume os valores: 0,05; 0,10; 0,25; 5,50 e 11,50, os ângulos Â admitidos são: 0o, 15o, 30o, 45o, 60o e 75o. Diversas instalações de TCSA são propostas e investigadas. Os resultados mostraram que: (a) é possível estabelecer um novo modelo computacional, validado e verificado, mais acurado, mais rápido e com capacidade de aplicabilidade em diversas regiões do planeta. Esse modelo é capaz de levar em consideração as características do tipo de solo local e dados reais ou realísticos de temperaturas do solo e do ar de uma determinada região. Nesta pesquisa, é adotado um procedimento desenvolvido para solução das equações de conservação, denominada de metodologia numérica de solução desacoplada dos fenômenos fluidodinâmicos e térmicos – DFT. Um novo critério de geração de malha com base em elementos hexaédricos para análise fluidodinâmica é definido; (b) o TCSA formado por L2/L1 = 0,05 e Â = 30o é considerado o dispositivo ótimo, dentre os casos analisados, isto é, aquele que conduz a maximização do IDE do TCSA. Consequentemente, esse dispositivo conduz ao melhor desempenho energético do TCSA e (c) o TCSA aplicado em uma determinada localidade do município de Rio Grande, na profundidade recomenda de 1,00 m, pode render na economia de energia elétrica mensal de até 120 kWh (aquecimento), em períodos de frio, e de 75 kWh (resfriamento), em períodos de calor.
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Análise numérica de trocadores de calor Solo-Ar em forma de Y através do método design construtal e de um novo indicador de desempenho energético (IDE) empregando modelo computacional aprimorado
(2019) Rodrigues, Michel Kepes; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dos
O Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo constituído por dutos enterrados no solo através dos quais o ar é forçado a escoar. O ar que entra no duto pode trocar calor com o solo e sai do duto com uma temperatura mais amena em relação a sua temperatura de entrada. Em períodos quentes, o ar sofre resfriamento e, em períodos frios, o mesmo sofre aquecimento. O ar, então, troca calor com o solo, que por sua vez armazena energia térmica na sua camada superficial, sendo que esta energia é originária da radiação solar incidente na superfície terrestre, que é uma energia renovável. A principal finalidade do TCSA é proporcionar uma melhoria na condição térmica no interior de edificações, visando à redução no consumo de energia elétrica de equipamentos de condicionamento de ar tradicionalmente utilizados. A presente pesquisa sustenta-se sobre três pilares: o aprimoramento do modelo computacional de TCSA; a análise de desempenho do TCSA e o estudo de caso realizado. O objetivo geral desta pesquisa é melhorar o desempenho de TCSA em forma de "Y", por meio de um modelo computacional aprimorado, considerando um novo parâmetro de desempenho específico para este tipo de dispositivo, em um estudo de caso realizado no município de Rio Grande. Os principais destaques e contribuições desta pesquisa são: o desenvolvimento do Modelo Computacional Compacto (MOC) de TCSA; a criação do Indicador de Desempenho Energético (IDE) e o estudo de caso inédito do TCSA em forma de "Y", aplicado no município de Rio Grande. A simulação numérica, a técnica de caracterização do tipo de solo, o método de obtenção do perfil de temperaturas do solo e do ar, a técnica da Busca Exaustiva e o método Design Construtal são as principais ferramentas metodológicas empregadas neste estudo. Para aplicação do método Design Construtal, dois graus de liberdade são considerados no sistema para que o mesmo possa evoluir: a razão (L2/L1) e o ângulo Â, sendo que L2 é o ramo secundário, L1 é o ramo primário (da configuração em "Y") e Â é o ângulo formado entre o ramo secundário e a direção horizontal. Enquanto a razão (L2/L1) assume os valores: 0,05; 0,10; 0,25; 5,50 e 11,50, os ângulos Â admitidos são: 0º, 15º, 30º, 45º, 60º e 75º. Diversas instalações de TCSA são propostas e investigadas. Os resultados mostraram que: (a) é possível estabelecer um novo modelo computacional, validado e verificado, mais acurado, mais rápido e com capacidade de aplicabilidade em diversas regiões do planeta. Esse modelo é capaz de levar em consideração as características do tipo de solo local e dados reais ou realísticos de temperaturas do solo e do ar de uma determinada região. Nesta pesquisa, é adotado um procedimento desenvolvido para solução das equações de conservação, denominada de metodologia numérica de solução desacoplada dos fenômenos fluidodinâmicos e térmicos - DFT. Um novo critério de geração de malha com base em elementos hexaédricos para análise fluidodinâmica é definido; (b) o TCSA formado por L2/L1 = 0,05 e Â = 30º é considerado o dispositivo ótimo, dentre os casos analisados, isto é, aquele que conduz a maximização do IDE do TCSA. Consequentemente, esse dispositivo conduz ao melhor desempenho energético do TCSA e (c) o TCSA aplicado em uma determinada localidade do município de Rio Grande, na profundidade recomenda de 1,00 m, pode render na economia de energia elétrica mensal de até 120 kWh (aquecimento), em períodos de frio, e de 75 kWh (resfriamento), em períodos de calor.
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Análise numérica de uma placa submersa como quebra mar e conversor de energia das ondas
(2013) Seibt, Flávio Medeiros; Couto, Eduardo Costa; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
Este artigo apresenta um modelo computacional bidimensional desenvolvido para análise do quebra mar tipo placa submersa. O modelo desenvolvido utiliza os códigos comerciais GAMBIT e FLUENT. O escoamento da mistura água-ar nas simulações numéricas do dispositivo é realizada através do modelo multifásico Volume of Fluid. O objetivo deste artigo é contribuir para um maior conhecimento deste dispositivo mostrando seu bom desempenho nas funções de quebra mar e conversor de energia das ondas. É analisada a influência da posição vertical da placa no coeficiente de transmissão e na eficiência do dispositivo ao converter energia das ondas em energia elétrica. Para tanto, o modelo desenvolvido, depois do processo de validação, foi utilizado em seis simulações que diferem apenas na posição da placa. Nos casos estudados, o aumento da distância da placa ao fundo proporcionou aumento da eficiência e redução do coeficiente de transmissão.
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Análise numérica do comportamento mecânico sob flexão de placas finas de material compósito laminado reforçado por fibras
(2013) Helbig, Daniel; Real, Mauro de Vasconcellos; Rocha, Luiz Alberto Oliveira; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
A crescente necessidade de estruturas com propriedades mecânicas superiores impulsiona o desenvolvimento de novos tipos de materiais, dentre os quais se destacam os materiais compósitos laminados reforçados por fibras. Placas finas construídas com estes materiais possuem diversas vantagens em comparação com as fabricadas com materiais de construção mecânica convencionais como o aço: altas relações rigidez/peso e resistência/peso; alta resistência à fadiga; e excelente resistência à corrosão. Portanto, a aplicação destes elementos estruturais é cada vez mais frequente em diversas áreas da engenharia, especialmente em estruturas navais e offshore. Neste contexto, o presente trabalho analisa numericamente o comportamento mecânico de placas finas fabricadas com diferentes tipos de materiais compósitos (Vidro-E / Epóxi, Boro / Epóxi, Tecido de Vidro / Epóxi e Boro / Alumínio) em comparação com o comportamento mecânico de uma placa de Aço. Os resultados mostraram que é possível obter com uma placa de material compósito reforçado por fibras um comportamento mecânico semelhante, ou até melhor, que o de uma placa de aço.
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Análise numérica e aplicação da teoria construtal para definir o arranjo de blocos inseridos em canais que simulam trocadores de calor de circuito impresso
(2021) Moreira, Rafael San Martin; Santos, Elizaldo Domingues dos; Souza, Jeferson Avila
Trocadores de calor do tipo microcanais são dispositivos que permitem obter elevadas taxas de transferência de calor por unidade de volume possuindo grande aplicação na indústria aeroespacial, naval e automotiva. Recentemente, devido à redução dos custos para construção, esses trocadores passaram a ser aplicados em condensadores de refrigeração doméstica. O presente trabalho numérico investiga a construção de um arranjo de blocos quadrados aquecidos e montados em um microcanal bidimensional submetido a escoamentos incompressíveis, laminares, no regime permanente com transferência de calor por convecção forçada. O objetivo é maximizar a taxa de transferência de calor entre os blocos aquecidos e o escoamento circundante. Um algoritmo baseado na Teoria Construtal é empregado para a construção do arranjo do bloco a partir de uma configuração elementar. A evolução é baseada em uma função de construção que utiliza os campos fluidodinâmicos e térmicos para definição da colocação de cada novo bloco elementar na área de ocupação do canal. Foram investigados casos de convecção forçada para três números de Bejan BeL = 2,45 x 104 , 24,5 x 104 e 123,3 x 104 para um número de Prandtl Pr = 0,71. Também foi analisada a influência da distância entre os centros dos blocos D/L = 1, 1,5, 2 e 2,5, assim como a variação do tamanho do elemento construtivo para L = 2,5 mm, 5 mm e 7,5 mm, com D/L = 1,5 constante. Por último, foram analisados a influência do distanciamento entre os blocos com L = 5 mm, agora com o primeiro bloco centralizado na área de ocupação. Para a solução dos escoamentos com transferência de calor por convecção estudados nesse trabalho será empregada a abordagem numérica, onde utiliza-se o método de volumes finitos (MVF) para a solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia. A montagem dos blocos variou no intervalo 1 ≤ N ≤ 12. Os resultados indicaram que o aumento da intensidade do escoamento, assim como um maior distanciamento entre os blocos, ocasionou um aumento da troca térmica entre os blocos e o fluido circundante. Com relação à variação do tamanho do elemento construtivo foi observado que quanto maior o tamanho, maior a área de troca térmica e, consequentemente, são obtidas elevadas taxas de transferência de calor por unidade de comprimento, como também é visível uma maior estabilidade térmica entre os desempenhos extremos obtidos.
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Análise teórica da influência de perfis sobre a potência de uma Turbina Wells empregada em dispositivos de conversão de energia das ondas
(2013) Dias, Gustavo da Cunha; Santos, Sonia Magalhães dos; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rocha, Luiz Alberto Oliveira; Olinto, Cláudio Rodrigues
O presente trabalho apresenta um estudo teórico a respeito da influência de diversos perfis aerodinâmicos (NACA0012, NACA0015, NACA0018, NACA0020 e NACA0021) sobre a potência e torque gerados em uma turbina Wells. Em todos os casos avaliados, o rotor possui um raio da turbina rt = 245 mm e uma razão de aspecto de AR = 0.7. O objetivo principal é obter uma recomendação teórica a respeito de qual perfil aerodinâmico pode ser empregado para os rotores de pequenos dispositivos de conversão de energia das ondas do mar em energia elétrica, mais especificamente coluna de água oscilante com potências inferiores a 1kW. Para realizar a estimativa da potência e torque foram utilizadas recomendações teórico experimentais da literatura. Os resultados indicaram que o melhor perfil aerodinâmico (NACA0021) é capaz de conduzir a uma potência mecânica de aproximadamente 319 W, apresentando um desempenho 36 % superior ao perfil NACA0020, que conduziu aos piores resultados.
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Application of the computational modeling in the resin transfer molding (RTM) process: a case study of a marine propeller
(2012) Porto, Joseane da Silva; Letzow, Max; Santos, Elizaldo Domingues dos; Souza, Jeferson Avila; Isoldi, Liércio André; Amico, Sandro Campos
This work presents one example of how the computational modeling can help in the Resin Transfer Molding (RTM) process when it is applied to the production of parts with complex geometry, such as the marine propellers. This manufacture process of composite material parts consists in the injection of a polymeric resin into a closed mold where a fibrous reinforcement is previously placed. The numerical simulation of the RTM process can be considered as the resin flow through a porous media. This computational model was developed in the FLUENT package, which is based on the Finite Volume Method (FVM), and was applied to study a propeller for naval propulsion. As the propeller has a complex format, the use of computational approach as a preliminar step in the manufacturing process is very important for the correct definition of the inlet and outlet nozzles. So, it is possible to design an efficient mold, avoinding extras costs related with the mold redesign, the resin waste and the increase of injection time. The results showed that an inadequate positioning of the mold outlet nozzles causes an increase about 10% and 2% in the production time and in the resin amount, respectively, for obtaining the marine propeller by RTM process.
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Avaliação da influência geométrica na potência disponível de uma chaminé solar empregando design construtal
(2015) Vieira, Rodrigo Spotorno; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
Neste trabalho é realizado um estudo numérico sobre o princípio de funcionamento de uma Usina de chaminé solar (UDCS) e a influência de alguns parâmetros geométricos na potência da UDCS empregando o método Design Construtal. Os principais objetivos aqui são avaliar a aplicabilidade do modelo numérico estudado e avaliação geométrica do efeito dos graus de liberdade H1/H (onde H1 e H são as alturas da saída e entrada do coletor), R/H (onde R é o raio do coletor) e R1/H2 (onde R1 é o raio de saída da chaminé e H2 a altura da chaminé) sobre a potência do dispositivo. Para isso é considerado um escoamento incompressível, turbulento, permanente com transferência de calor por convecção mista em um domínio bidimensional, axissimétrico, similar ao encontrado em uma chaminé solar. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e a equação de estado dos gases ideais são resolvidas numericamente com o uso do método de volumes finitos. Para a abordagem da turbulência é empregada à modelagem clássica da turbulência (RANS) com modelo padrão k – ε. Os demais parâmetros geométricos, como os raios da entrada e saída da secção onde a turbina está localizada (R2 e R3, respectivamente) foram mantidas constantes. Os resultados de verificação mostraram uma boa concordância com os apresentados na literatura, mesmo empregando um domínio simplificado. Também foi observado que o grau de liberdade R/H apresentou grande influência na potência. Por exemplo, para R/H = 10 e R/H = 1000 (para o mesmo R1/H2 = 0.04 e H1/H = 10) a diferença obtida entre a potência superou 520.0 %. A razão R1/H2 também apresentou grande sensibilidade sobre a potência. O método Design Construtal conduziu a obtenção de resultados com uma diferença na potência de aproximadamente 47 vezes entre a melhor (R1/H2=0.04 e R/H=1000) e pior geometria (R1/H2=0.4 e R/H=10). Também foi observado que a potência depende de R/H e R1/H2 para que o sistema tenha capacidade de produzir a diferença de potencial térmico na região do coletor e força motriz suficiente para movimentar a massa de fluido quente dessa região em direção a saída da chaminé. Além disso, as geometrias ótimas foram obtidas para razões R1/H2 intermediárias e para as maiores razões de R/H. Contudo, os extremos inferior e superior de R1/H2 conduzem a razões ótimas de (R/H)o também pequenas, mostrando a influência de cada razão geométrica.
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Avaliação geométrica da câmara de um dispositivo owc onshore inserido em um tanque com rampa triangular em escala real empregando constructal design
(2014) Letzow, Max; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio André
Entre as pesquisas sobre formas de conversão de energia das ondas em energia elétrica, destacam-se os dispositivos do tipo Coluna de Água Oscilante (OWC – do inglês: Oscillating Water Column). Este dispositivo tem seu princípio físico de funcionamento baseado em uma câmara fechada parcialmente submersa, aberta para o mar abaixo da superfície livre da água. O processo de geração de eletricidade divide-se em duas fases: quando uma onda entra na estrutura o ar que se encontrava dentro dela é forçado a passar por uma turbina devido ao aumento de pressão na câmara de ar. Quando a onda regressa ao mar o ar passa novamente na turbina, desta vez no sentido inverso, dada a pressão inferior gerada no interior da câmara de ar. O grupo turbina/gerador é o responsável pela produção de energia elétrica. No presente trabalho é realizado um estudo numérico relacionado ao efeito da geometria da rampa e da câmara sobre o desempenho de um dispositivo OWC onshore em escala real, empregando Constructal Design. O principal propósito é verificar quais geometrias para a câmara (razão entre a altura e comprimento da câmara: H1/L1) e rampa (razão entre a altura e comprimento da rampa: H2/L2) que maximizam a potência disponível no dispositivo. Vale destacar que, neste trabalho, é avaliado apenas o princípio físico de funcionamento do dispositivo. Consequentemente, as geometrias ótimas obtidas aqui servem como uma recomendação teórica para futuros estudos e construções desse tipo de conversor de energia das ondas. Nas presentes simulações, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica são resolvidas com o método dos volumes finitos (MVF). Para abordar a mistura água e ar, o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é utilizado. O emprego do Constructal Design permitiu aumentar significativamente o desempenho fluidodinâmico do dispositivo. Também foi observado que ambos graus de liberdade estudados (H1/L1 e H2/L2) possuem grande influência sobre a potência disponível no dispositivo. Contudo, os graus de liberdade apresentaram efeitos diferentes para os dois casos de comprimento da borda frontal do dispositivo estudados (H3 = 2.5 m e 5.0 m). A geometria ótima global foi obtida para H3 = 2.5 m, (H1/L1)o = 0.4 e (H2/L2)oo = 0.8 apresentou uma potência Pot =331.57 W.
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Avaliação geométrica de escoamento com convencção forçada sobre arranjo alternado de cilindros empregando design construtal
(2019) Aghenese, Ana Paula Del; Santos, Elizaldo Domingues dos; Prolo Filho, João Francisco
O presente trabalho apresenta um estudo numérico acerca da avaliação geométrica de um escoamento sobre quatro cilindros dispostos alternadamente, com convecção forçada, bidimensional, laminar, transiente e incompressível. A geometria varia de acordo com o método Design Construtal. Os objetivos são a maximização do número de Nusselt (NuD) e a minimização do coeficiente de arrasto (CD) entre os cilindros e o escoamento circundante. As simulações numéricas foram realizadas considerando números de Reynolds de ReD = 10, 40 e 150, com número de Prandtl de Pr = 0.71 (que simula o ar como fluido de trabalho). O problema apresenta três graus de liberdade: ST/D (relação entre o passo transversal dos cilindros intermediários e o diâmetro), SL1/D (relação entre o passo longitudinal dos cilindros frontal e intermediários e o diâmetro) e SL2/D (relação entre o passo longitudinal dos cilindros intermediários e posterior e o diâmetro). Além disso, as medidas atribuídas para 1.5 < SL1/D < 4.0, 1.5 < SL2/D < 3.0 e 1.5 < ST/D < 5.0, totalizando 288 simulações. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas utilizando o software FLUENT® 14.5, o qual se baseia no Método dos Volumes Finitos (MVF). Os resultados indicam que o ReD possui influência sobre a geometria ótima do arranjo e sobre o efeito de cada grau de liberdade sobre os indicadores de performance. Para ReD = 10 notou-se uma configuração assimétrica, onde os cilindros centrais estão posicionados próximos ao cilindro frontal. Para ReD = 40 a melhor configuração foi obtida para os cilindros centrais mais próximos ao cilindro posterior e para ReD = 150 uma configuração levemente assimétrica conduziu ao melhor desempenho. Dessa forma, os resultados indicaram que o uso de passos longitudinais diferentes pode conduzir a um melhor desempenho quando comparado a arranjos simétricos (com um único passo longitudinal SL).