Universidade
Federal do Rio Grande

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Adaptação de um código computacional de escoamentos incompressíveis 3-D para problemas com superfície livre
(2006) Vanini, Lucas; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
Neste trabalho, apresenta-se a adaptação de um código computacional de simulação numérica de escoamentos incompressíveis tridimensionais (FLUINCO) para tratar problemas com superfície livre. É adotada uma descrição arbitrária lagrangeana euleriana (ALE), onde o movimento da malha é realizado através de um esquema de suavização das velocidades. O algoritmo, desenvolvido em FORTRAN, baseia-se no Método dos Elementos Finitos (MEF). As equações diferenciais governantes do fluido são discretizadas no tempo e no espaço por um método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos usando elementos tetraédricos lineares. É analisado o problema do escoamento sobre um canal com uma depressão trapezoidal no fundo (trench) e os resultados são comparados com os obtidos por outros autores.
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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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Análise comparativa da aplicação dos modelos REFDIF e REFDIF_S à zona Torres-Mostardas
(2006) Palha, Artur; Fortes, Conceição Joana; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
Nesta comunicação, descreve-se a aplicação dos modelos REFDIF e REFDIF_S à zona marítima entre Torres e Mostardas no Rio Grande do Sul, Brasil. REFDIF e REFDIF_S são modelos de diferenças finitas que simulam a propagação e a deformação da agitação regular e irregular, respectivamente, em zonas de profundidade variável. Este modelos consideram os fenómenos de refracção, difracção (apenas na direcção perpendicular à propagação) e rebentação na propagação das ondas (entre outros). Na aplicação dos modelos à zona marítima entre Torres e Mostardas, dada a grande extensão da zona em estudo, o domínio de cálculo tem de ser discretizado por várias malhas de diferenças finitas de cálculo de modo a ter em conta a propagação das ondas desde o largo até junto à costa. No caso do modelo REFDIF, este procedimento de propagação de ondas ao longo de várias malhas de cálculo está implementado, o mesmo não acontecendo com o modelo REFDIF_S. Assim, para resolver este problema, foi desenvolvida uma nova metodologia designada por pyREFDIF_S, que permite a propagação de ondas irregulares em zonas discretizadas por várias malhas de diferenças finitas. Os modelos são aplicados para condições de agitação incidente de período igual a 7 s, altura de 1.75 m e direcções de onda de NE e SE, que correspondem às situações mais frequentes do regime de agitação marítima estabelecido na ref. [4]. Para essas condições, os resultados dos modelos, em termos de altura de onda e direcção de onda, são apresentados e analisados. Com base nesses resultados, avaliam-se as principais diferenças que surgem nas características da agitação marítima na região em estudo, com a aplicação de um modelo de propagação de ondas regulares versus um modelo de ondas irregulares.
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Análise comparativa de modelos não-lineares na simulação da propagação de ondas sobre um quebra-mar submerso
(2008) Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Fortes, Conceição Joana
Neste trabalho, avalia-se o desempenho de três modelos numéricos não lineares (FLUINCO, FUNWAVE e COULWAVE) na simulação da propagação de ondas sobre um quebra-mar submerso, para o qual existem resultados experimentais. É analisada, especialmente, a capacidade dos modelos em reproduzir os principais fenômenos intervenientes na propagação das ondas, nomeadamente no que concerne a efeitos não-lineares. Neste âmbito, efectua-se uma análise temporal e espectral da deformada da elevação da superfície livre em várias posições do domínio de cálculo. Assim, os resultados numéricos obtidos com os diferentes modelos numéricos são comparados com resultados experimentais em termos da elevação da superfície livre e espectro da elevação da superfície livre, de modo a avaliar o desempenho dos modelos não lineares em gerarem harmónicas de ordem superior.
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Análise comparativa dos modelos não-lineares COULWAVE e BOUSS3W aplicados à simulação da rebentação
(2010) Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Fortes, Conceição Joana; Pinheiro, Liliana; Okamoto, Takashi
Nesta comunicação, avalia-se o desempenho de dois modelos do tipo Boussinesq (COULWAVE e BOUSS3W) na simulação da rebentação de ondas num canal de ondas cujo perfil de fundo é do tipo banco-cava e que apresenta variações de largura nos seus trechos iniciais. As principais diferenças entre os modelos estão associadas às equações base, ao método numérico, à precisão e ao domínio de aplicabilidade associados. Os resultados numéricos de ambos os modelos são comparados com os resultados experimentais, no que se refere à elevação da superfície livre. É também realizada uma análise no tempo, espectral e estatística de modo a caracterizar o desempenho dos modelos e a sua capacidade na simulação dos efeitos não-lineares.
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Análise numérica da eficiência de dispositivos conversores de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante aclopado em quebra-mar
(2020) Wiener, Guilherme Ferreira; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric Lionel
Com o advento da tecnologia nos tempos modernos, a demanda por energia elétrica é crescente ao longo dos anos. Em contrapartida, a maioria dos métodos de produção de energia utilizam recursos não renováveis, impactando o meio-ambiente e aumentando o custo de compra. Perante isto, diversos estudos abordam o tema de fontes renováveis de energia, em que uma das fontes é a das ondas. Um dos dispositivos de conversão de energia das ondas muito difundido é o de Coluna de Água Oscilante (CAO), em que uma câmara de ar fechada acima do nível da superfície livre e uma turbina acoplada são capazes de produzir eletricidade, sendo destaque em diversos trabalhos analíticos e experimentais. No presente trabalho, são realizadas análises numéricas para determinar as dimensões ótimas de turbinas do tipo Wells e câmaras de dispositivos de CAO inseridos em um quebra-mar hipotético, funcionando em paralelo, a uma profundidade de 14 m na costa Sul do Brasil. O estado de mar é representado pela ocorrência de ondas regulares para uma faixa de períodos e alturas características da região. Assim, são calculadas as potências médias anuais de diferentes combinações de diâmetros e rotações de turbina e de comprimento e largura da câmara do conversor CAO para determinar o dispositivo mais eficiente para a região. Para a realização das simulações numéricas, emprega-se o software FLUENT®, baseado no modelo Reynolds Averaged Navier-Stokes equations e a técnica Volume of Fluid (RANS-VoF), resolvidas numericamente pelo Método de Volumes Finitos, e o modelo simplificado TDO (Turbine Diameter Optimization) generalizado, desenvolvido neste trabalho. O modelo TDO modificado é calibrado pelo FLUENT® para cada onda incidente e considera o movimento oscilatório da superfície livre dentro da câmara como o de um pistão e o ar dentro da câmara sofrendo uma transformação adiabática. O diâmetro ótimo da turbina e o comprimento e largura do dispositivo que geram a maior eficiência são escolhidos considerando o estado de mar da região e dispositivos com 16 m de altura (10 m estão submersos) com uma parede frontal submersa de 2.5 m. Como resultado final, encontrou-se a maior eficiência (50.69%) em um dispositivo de 15x15 m e diâmetro de turbina de 3.00 m, sendo 17.35% mais eficiente que o dispositivo de 5x5 m e diâmetro de 1.25 m (33.34%).
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Análise numérica da interação entre escoamentos a baixos números de reynolds e cilindros apoiados em base elástica
(2013) Gonçalves, Rafael Almeida; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
Neste trabalho são apresentadas análises numéricas do fenômeno de Vibração Induzida por Vórtices (VIV) que ocorrem na interação entre escoamentos uniformes e cilindros apoiados em base elástica a baixos números de Reynolds. As simulações são realizadas através do modelo numérico Ifeinco, que usa o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos para discretizar as equações de Navier-Stokes e uma formulação Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE). O movimento de corpo rígido do cilindro é descrito pelo uso do método de Newmark. Primeiramente, foram realizadas análises de convergência em relação ao tamanho do domínio computacional, adotando- se um tamanho de 100D (onde D é o diâmetro do cilindro). Após, é analisado o comportamento do escoamento para o cilindro fixo na faixa de número de Reynolds entre 90 e 140, onde é estudada a formação de vórtices e analisada a distribuição de pressão e tensão na superfície do cilindro, o ângulo de separação, as forças de arrasto e de sustentação e o número de Strouhal. Em todos os casos, os resultados obtidos pelo Ifeinco ficaram muito próximos aos obtidos experimentalmente e numericamente por outros autores. As diferenças observadas nas comparações de números de Strouhal, forças de arrasto e sustentação foram respectivamente de 0,16%, 0,32% e 0,51%. Posteriormente é realizada a análise do cilindro apoiado em base elástica (com uma mola e um amortecedor) na direção transversal ao escoamento para os mesmos Reynolds já mencionados. São estudados os campos de pressão e velocidade ao redor do cilindro, as forças de sustentação e arrasto e as amplitudes e frequências de vibração. Foram analisadas a amplitude e a frequência de vibração na zona de ressonância ou de sincronização (lock-in), comparando-se os resultados obtidos com os de outros autores. Observaram-se comportamentos muito semelhantes entre os resultados obtidos pelo Ifeinco e os experimentais e numéricos.
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Análise numérica da interação entre escoamentos a baixos números de Reynolds e cilindros apoiados em base elástica
(2012) Gonçalves, Rafael Almeida; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric Lionel
Neste artigo são apresentadas análises numéricas de fenômenos que ocorrem na interação entre escoamentos com baixos números de Reynolds e cilindros apoiados em base elástica. As simulações são realizadas através de um modelo numérico que usa o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos para discretizar as equações de Navier-Stokes e a formulação Lagrangeana-Euleriana Arbitrária (ALE) para seguir o movimento do cilindro. A descrição de movimento do corpo rígido é determinada através do método de Newmark. Primeiramente, são analisadas as características do processo de geração de vórtice para o cilindro fixo. Neste caso, são obtidos os resultados do número de Strouhal e dos coeficientes de arrasto e de sustentação para números de Reynolds variando de 90 a 140. Posteriormente é realizada a análise do cilindro com suporte flexível (com uma mola e um amortecedor) na direção transversal ao escoamento. São estudados o deslocamento do cilindro e as frequências de vibração, assim como o fenômeno de sincronização (lock-in) entre o desprendimento de vórtices e a frequência de vibração. Os resultados numéricos são comparados com os obtidos experimentalmente por outros autores.
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Análise numérica da propagação de ondas na costa do Rio Grande do Sul entre Arroio Chuí e Sarita
(2012) Vara, Samanta Santos da; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Calliari, Lauro Júlio
A praia da região entre Arroio Chuí e Sarita (RS) é marcada pela presença de dunas escarpadas, minerais pesados em altas concentrações, afloramento de depósitos paludais e lagunares na região de pós-praia e das dunas frontais por trechos de cerca de 20-30 km. A ante-praia e plataforma interna dessa região apresentam uma batimetria complexa com muitos bancos e poços. Nas proximidades do Hermenegildo e do Arroio Chuí, foram encontradas taxas de retração da costa de aproximadamente 0,5 metros por ano, indicando uma zona de erosão acentuada e colocando em risco as propriedades públicas e privadas locais. Assim como em toda costa sul, esta é uma região de micromaré, sendo, portanto, completamente dominada pela energia das ondas. O presente trabalho tem como objetivo estudar a propagação de ondas nesta região através de modelagem numérica usando o programa REFDIF_S para verificar possíveis relações da erosão local com fenômenos associados à concentração de energia das ondas. O REFDIF_S é um modelo de propagação de ondas baseado na aproximação parabólica da equação de declive suave que simula o comportamento de ondas irregulares considerando os efeitos de empolamento (shoaling), refração, difração e dissipação de energia. Sua capacidade de simular os efeitos de refração combinados com os de difração, torna este modelo adequado para o estudo da propagação das ondas nesta região de topografia bastante acidentada, uma vez que, até então, somente alguns estudos mais simplificados usando o método dos raios de onda foram realizados. Baseado no clima de ondas da região, foram propostas diversas situações de ondas incidindo a partir de águas profundas, usando o espectro de energia TMA e o espectro direcional de Borgman. Foi analisado o comportamento de ondas de períodos de 10s, 12s e 16s, alturas significativas de 2,0m, 4,0m e 4,8m, respectivamente e incidências de sul, sudeste-sul, sudeste, sudeste-leste e leste. Das análises, verificou-se a influência dos bancos e dos poços existentes sobre a transformação das ondas. Também, foram relacionados os efeitos das ondas sobre os fenômenos de erosão que ocorrem acentuadamente nesta região. Concluiu-se que a diferenciação geomorfológica do relevo submarino está condicionando, ao longo da região de estudo, diferentes regimes de refração de ondas, sendo estes vistos com mais ênfase em alguns acidentes batimétricos. Ainda observou-se que a batimetria influencia na variação da energia de ondas, com mais intensidade, de modo geral, nas direções sudeste-sul, sudeste e sudeste-leste. Constatou-se também que a passagem das ondas pela batimetria mais complexa da região causam convergência (foco) na região de Hermenegildo. Pode-se afirmar ainda que as ondas de direção sudeste sofrem os efeitos dos acidentes batimétricos com mais intensidade.
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Análise numérica da propagação de ondas na costa do Rio Grande do Sul entre Torres e Mostardas
(2008) Silva, Jair Vignolle da; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
Ao longo do litoral norte e médio do RS, entre Torres e Mostardas, o relevo do fundo é homogêneo, suave, íngreme e com variações batimétricas e sedimentológicas da antepraia e da plataforma continental interna. Ao norte de Pinhal, a plataforma interna é mais larga, enquanto que a largura de antepraia é mais estreita. O oposto ocorre ao Sul de Pinhal. O objetivo deste trabalho é o de analisar numericamente a variação de energia de ondas nesta região, investigando a influência das variações da largura da plataforma interna e da largura de antepraia, e da fricção com o fundo nos processos morfodinâmicos costeiros. Para tal, usa-se como ferramenta de processamento o programa REF/DIF1 (Kirby e Darlymple, 1994), que é um modelo de propagação e deformação da agitação marítima em zonas de profundidade variável, baseado na aproximação parabólica da equação do declive suave. O modelo considera os efeitos de refração, difração, empolamento e dissipação de energia por atrito com o fundo e por rebentação. Baseando-se em estudos do clima de ondas da região, efetuaram-se simulações numéricas decorrentes da combinação de períodos de onda, alturas significativas e direções de propagação, com e sem atrito com o fundo. Primeiramente foi analisado o padrão de refração de ondas na região, realizando simulações de ondas de período T=9s e altura significativa de Hs=2m para diversos ângulos de incidência. Desta análise, conclui-se que o padrão dominante para essa região é o divergente. Entretanto, notaram-se convergências ao sul de Quintão, para ondas vindas dos quadrantes sudeste e sul, devido à presença do Banco da Berta, que causa um foco quase permanente. Para a análise da influência das larguras da plataforma interna e da antepraia e da fricção do fundo sobre a energia das ondas, foram propostas modelagens para onda de T=9s, Hs=2m; onda modal (T=7s, Hs=1,75m); onda de projeto (T=16s, Hs=4,8m) e onda de tempestade (T=12s, Hs=4m). Observou-se, de forma geral, um equilíbrio na atenuação da onda causada pelo atrito com o fundo ao longo da costa em estudo, indicando que a influência do aumento da largura da antepraia do sul de Pinhal para o norte no atrito com o fundo é compensada pela influência da diminuição da largura da plataforma continental interna.
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Análise numérica da propagação de ondas na costa do Rio Grande do Sul entre Torres e Mostardas
(2008) Silva, Jair Vignolle da; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Calliari, Lauro Júlio
O objetivo deste trabalho é o analisar numericamente a variação de energia de ondas nesta região, investigando a influência das variações da largura da plataforma interna e da largura de antepraia, e da fricção com o fundo nos processos morfodinâmicos costeiros, usa-se como ferramenta de processamento o programa REF/DIF1 (Kirby e Darlymple, 1994). Os resultados considerando um coeficiente de atrito fw.=.0,01, usado no código do REF/DIF1, foram comparados com os obtidos sem a presença do atrito, observando-se pouca influência do atrito com o fundo sobre a transformação das ondas. Adotando-se um coeficiente de atrito de fw.=.0,2, constatou-se, de forma geral, que a influência do aumento da largura da antepraia do sul de Pinhal para o norte no atrito com o fundo é compensada pela influência da diminuição da largura da plataforma continental interna.
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Análise numérica de fadiga e impacto em bicicletas de alto rendimento
(2019) Costa, Tatielen Pereira; Guilherme, Carlos Eduardo Marcos; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
Nos últimos anos a pesquisa em bicicletas tem aumentado visto que se está em uma fase de crescimento no interesse da população em meios de transporte menos poluentes e também uma maior visibilidade de competições ciclísticas. A indústria de bicicletas tem se preocupado com as inúmeras melhorias que podem ser feitas em termos de ganho de velocidade e redução de custos. As bicicletas destinadas a competições necessitam estar enquadradas dentro de normas de fabricação segundo a UCI bem como ser aprovadas nos ensaios de impacto e fadiga de normas como a ISO 4210. O objetivo deste estudo foi desenvolver um método de simulação numérica usando o programa ABAQUS® em um quadro de liga de alumínio 6061 T6, projetado de acordo com a UCI, dentro de especificações comumente utilizadas e validá-lo através de ensaios estáticos com cargas baseadas na literatura e em seguida submetê-lo a testes de impacto e fadiga de acordo com a ISO 4210. Os resultados demonstraram que para os testes de fadiga o quadro teria alto risco de ocorrer falha por fadiga, visto que se encontra na zona de iniciação de fadiga de acordo com o método de Dang Van para 50.000 ciclos nos ensaios de fadiga vertical e horizontal, bem como 100.000 ciclos para o ensaio de pedaleira.
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Análise numérica de um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante através de um modelo baseado nas equações de navier-stokes
(2012) Davt, Djavan Perez; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
O aumento da população mundial, o crescimento do consumo de energia per capita, a maior conscientização global no que concerne às questões ambientais, associado às indicações de diminuição das reservas mundiais de petróleo, têm alavancado o interesse por fontes de energia alternativas. A energia proveniente das ondas oceânicas perfila-se neste contexto como uma alternativa “limpa” e renovável, dentre outras. Sendo assim, o estudo de formas de converter este tipo de energia em energia útil e o aperfeiçoamento das formas existentes são problemas de engenharia complexos e de grande importância para a sociedade atual. Nesta dissertação, foi investigado o equipamento do tipo coluna de água oscilante onshore em um canal de profundidade de 10m e sujeito às ondas de alturas iguais a 1m e períodos que variam de 4s a 15s. As análises numéricas foram realizadas através do modelo FLUINCO que trata de problemas de escoamentos incompressíveis baseado nas equações de Navier-Stokes e que emprega o método Semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos. Para tal, foi necessário implementar um modelo aerodinâmico no código, baseado na metodologia apresentada por Josset e Clément. O trabalho foi dividido em duas fases. A primeira de comparação dos resultados do FLUINCO com os do modelo FLUENT, simulados por Ramalhais e os das soluções analíticas da eficiência do dispositivo, apresentadas por Evans e Porter. As comparações com o FLUENT mostraram a similaridade dos resultados obtidos por ambos os modelos em termos das variáveis do escoamento. No que se refere à eficiência do dispositivo, constatou-se um comportamento semelhante aquele previsto analiticamente, apenas o FLUINCO apresentou eficiências de magnitudes um pouco inferiores, também previstas por outros autores. A segunda fase consistiu na investigação da geometria e da relação característica da turbina os quais proporcionam o melhor desempenho do dispositivo. Com as variações do comprimento submerso da parede frontal, do comprimento da câmara, da relação característica da turbina e da altura da câmara, sugeriu-se o melhor dispositivo para as incidências de ondas propostas.
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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 de dispositivo de conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante onshore com diferentes geometrias da câmara
(2021) Güths, Angélica Konradt; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric
Atualmente, a maior parte da energia utilizada mundialmente vem de fontes não renováveis, causando sérios problemas ambientais. Uma alternativa de fonte reno- vável de energia são as ondas do mar, que possuem grande potencial energético. O dispositivo de conversão de energia das ondas do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) é um dos mais estudados; porém, seu uso ainda não está consolidado. O objetivo desse trabalho é o de propor uma nova geometria da câmara de um dispo- sitivo CAO onshore, analisar numericamente a sua performance e comparar o seu comportamento hidropneumático com CAO’s de câmeras com diferentes inclina- ções da parede frontal. As simulações são realizadas em um canal numérico usan- do o software FLUENT, considerando as equações de Navier-Stokes na média de Reynolds (Reynolds-averaged Navier-Stokes – RANS) para um escoamento 2D sendo o água incompressível e o ar compressível considerado como gás ideal, o modelo de turbulência e o método Volume of Fluid (VOF) para tratar um escoamento com superfície livre. No dispositivo é simulada a turbina Wells com relação característica igual a 100 Pa.s/m3 e as dimensões das câmaras tem a mes- ma ordem de grandeza das dimensões da planta da ilha Pico (Açores, Portugal). São comparados dois casos: CAO padrão com diferentes inclinações da parede frontal (casos A) e os da nova proposta (casos B), em que é inserida uma parede frontal externa inclinada no sentido oposto à propagação da onda incidente. Os dispositivos são analisados para diferentes períodos de ondas incidentes (6 a 12 s) e altura de 1,5 m, incluindo o comportamento do escoamento na região da câmara, os efeitos de run up/down na parede frontal, sloshing dentro da câmara e a análise do balanço de energia na região do dispositivo. A configuração dos casos B con- tribui para a diminuição de possibilidade de galgamento (menor run up/down) e de entrada de ar dentro da câmara. De maneira geral, os casos B apresentam coe- ficientes de reflexão menores do que aqueles dos casos A para uma mesma incli- nação da parte interna da parede frontal. Quanto à eficiência dos casos, definida pela energia extraída, os casos B apresentam maiores valores do que os casos A e os melhores desempenhos são alcançados pela inclinação da parede frontal exter- na de 40o e da parede frontal de 40o e 52o. A solução única ótima depende das características do estado do mar da região em que o dispositivo CAO será instalado.
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Análise numérica do escoamento e da distribuição de energia de dispositivos de conversão de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante
(2018) Gaspar, Lucas Amaral; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric
Neste trabalho, apresenta-se uma análise numérica do comportamento e dos balanços energéticos dos escoamentos envolvidos na conversão de energia das ondas de três dispositivos de conversão do tipo coluna de água oscilante (CAO) onshore de geometrias diferentes. O caso A é baseado na geometria da planta de Pico (Açores, Portugal); o caso B tem suas paredes com uma inclinação constante e igual a da planta do LIMPET (Isley, Escócia); o caso C tem geometria similar a do LIMPET, no qual a parte submersa de sua parede frontal tem inclinação com ângulo diferente da parte emersa. Os dispositivos têm tanto o comprimento quanto a largura de 10 m e estão colocados no final de um canal numérico bidimensional de 10 m de profundidade. Nas câmaras, são considerados os efeitos da turbina do tipo Wells, com uma relação característica de 50 Pa s m-3. São simulados casos com diferentes ondas incidentes de períodos de 6 a 12 s e alturas de 1.0 a 2.5 m, através do modelo FLUENT, que aplica a técnica dos volumes finitos nas equações de Navier- Stokes. O método Volume of Fluid (VOF) é usado para levar em conta o escoamento multifásico. São analisados comportamentos gerais do escoamento ao redor do CAO, incluindo run up/down na parede frontal e sloshing dentro da câmara. Pela lei da conservação de energia, a energia de onda incidente é dividida em energia aproveitada (energia pneumática) ou rejeitada (energia refletida, perdas viscosas, perdas por turbulência) nas saídas (turbina, perdas). O caso A apresentou uma eficiência mais homogênea ao longo do período de onda, ao contrário dos casos B e C, sendo muito superior no período de 6 s (em média 1.8 vezes mais eficiente que o segundo colocado, caso C). Nos períodos de 9 e 12 s, os casos B e C foram superiores, o caso B apresentou a melhor eficiência, média de 54%, enquanto que os casos A e C apresentaram 43% e 51%, respectivamente. A eficiência máxima ocorreu para o caso B de 66% em 9 s. Foi observada em todos os casos a existência de um balanço entre as perdas energéticas e a reflexão de energia relativa à energia incidente, sendo as perdas energéticas maiores no período de 6 s e a reflexão de energia maior no período de 12 s. Os níveis máximos de run up/down e de elevação de superfície dentro da câmara são significativamente maiores nos casos B e C, exigindo uma maior submersão da parede frontal e um maior cuidado com a proteção do sistema da turbina da câmara em relação ao caso A. De forma geral, este tipo de análise se mostrou eficaz para identificar o comportamento das diferentes geometrias e promover melhorias de projeto nos dispositivos CAO.
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Análise numérica do princípio de funcionamento do conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo placa submersa
(2014) Seibt, Flavio Medeiros; Isoldi, Liércio André; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
A crescente demanda por produção de energia elétrica e a necessidade de preservação dos recursos naturais, tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de conversão de baixo impacto ambiental. O potencial energético dos oceanos está distribuído sob diferentes formas, das quais a energia das ondas se destaca por concentrar a maior parte deste recurso. O dispositivo de placa submersa consiste em uma placa horizontal, plana e imersa sob a superfície do mar. A passagem das ondas sobre essa estrutura origina um escoamento horizontal, sob a placa, que alterna constantemente de sentido. Esse escoamento pode ser aproveitado como propulsão para uma turbina hidráulica, fazendo com que o dispositivo atue como um conversor de energia das ondas do mar. Este estudo apresenta uma análise numérica do princípio de funcionamento deste equipamento, isto é, sem considerar a presença da turbina abaixo da placa. Para isso, foram realizadas avaliações da influência de parâmetros geométricos da placa submersa e características das ondas incidentes no dispositivo com relação a sua eficiência de conversão de energia. Para as simulações numéricas foi utilizado um domínio bidimensional que se baseia no modelo multifásico Volume of Fluid (VOF), para o tratamento da região de interface água-ar. O domínio computacional foi construído e discretizado (geração da malha) no software GAMBIT, enquanto a solução das equações que regem o problema foi realizada com o software FLUENT, que utiliza o Método de Volumes Finitos (MVF) para obtenção de um sistema algébrico de equações. As ondas foram geradas por uma condição de contorno de velocidade variável no tempo, impondo as componentes horizontal e vertical de velocidade das partículas de fluido, com base na teoria de ondas de Stokes de 2a ordem. A análise do escoamento sob a placa submersa permitiu observar que as magnitudes da velocidade e da vazão mássica são maiores nos casos em que a placa tem menor comprimento e é posicionada próxima a superfície. Os resultados indicaram que dependendo das características do dispositivo (construtivas, de instalação e operacionais) é possível atingir uma eficiência em torno de 35 %.
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Análise numérica do processo de soldagem GTAW com deflexão magnética em aços baixo carbono
(2016) Clain, Fernanda Mazuco; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
A técnica do tecimento em soldagem tem sido largamente utilizada tanto para melhorar a eficiência do processo como a distribuição do aporte térmico. O tecimento via deflexão magnética do arco é uma técnica desenvolvida há alguns anos que permite oscilação da poça fundida provocando o refinamento do grão e melhoria nas propriedades da junta soldada. Para esse tipo de processo, a simulação numérica se constitui em uma grande dificuldade, já que os modelos numéricos até então propostos apresentam boa precisão apenas para casos em que a tocha é perpendicular ao plano de soldagem. Este estudo visa o desenvolvimento de modelos numéricos para a imposição de calor, que contemplem os efeitos da deflexão do arco para processo de soldagem GTAW autógeno em aço de baixo carbono. Primeiramente, soldagens experimentais com uma inclinação fixa do arco ao longo do processo causadas por deflexão magnética são comparadas com aquelas provocadas pela inclinação da tocha (com o mesmo ângulo de inclinação causada pela deflexão magnética) e com a tocha perpendicular ao plano de soldagem. Os resultados mostraram que ambas as soldagens com deflexão do arco apresentam efeitos semelhantes, podendo ser modelados numericamente da mesma forma. Após, dois modelos de fonte de calor para arcos defletidos são propostos. Simulações numéricas são feitas usando os dois modelos propostos, com uma inclinação fixa ao longo do processo de soldagem e com a tocha perpendicular ao plano de soldagem. Os resultados são comparados aos resultados obtidos experimentalmente para os mesmos casos. São analisadas as temperaturas em três diferentes pontos da parte inferior da chapa, dois afastados da linha de centro de soldagem e um central, e as poças de fusão para chapas de aço SAE 1020 de 3,2 mm e 6 mm de espessura. Depois, são feitas simulações de soldagem com tecimento, utilizando os dois modelos propostos e comparando os resultados a resultados de um trabalho encontrado na bibliografia. Nas soldagens com a deflexão do arco constante, as seções transversais do cordão apresentaram uma assimetria, assim como a distribuição de temperaturas nas chapas soldadas. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações são bem próximos aos resultados experimentais, tanto para o caso com deflexão constante do arco, como para o caso com tecimento, para os dois modelos propostos.
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Análise numérica dos efeitos de compressibilidade do ar no interior da câmara de um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante
(2018) Gonçalves, Rafael Adriano Alves Camargo; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric
O presente trabalho investiga a importância dos efeitos de compressibilidade do ar no interior da câmara de um dispositivo de extração da energia das ondas do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), fixo e de paredes verticais. O estudo é realizado por meio de simulações numéricas, empregando o método dos volumes finitos. As simulações são realizadas através da plataforma FLUENT®, utilizando o modelo RANS. O domínio numérico é bidimensional. São usados o modelo multifásico VoF (Volume of Fluid) e modelo de turbulência k-. Uma vez que, adotar o ar como compressível, implicaria na solução da equação da energia, aumentando substancialmente o esforço computacional, é implementado um modelo numérico alternativo, denominado como Modelo Compressível, obtido por meio da equação de estado do gás ideal e do balanço de massa no interior da câmara do dispositivo CAO. O gerador de onda, a turbina e o Modelo Compressível são aplicados por meio de funções definidas pelo usuário na plataforma FLUENT®. Os efeitos de compressibilidade do ar são analisados quanto as suas sensibilidades aos parâmetros de período da onda, altura da onda, relação característica da turbina e tipo de turbina. Os efeitos de compressibilidade do ar são mais sensíveis ao período da onda e relação característica da turbina, de forma que a eficiência pneumática pode ser reduzida na ordem de 26%. O dimensionamento do diâmetro de uma turbina Wells semelhante à de Pico, para determinado estado de mar hipotético, foi realizado. Os efeitos de compressibilidade do ar foram considerados, obtendo-se uma eficiência mecânica global de 46% para o diâmetro de 2.25 m, abaixo daquela baseada no escoamento do ar como incompressível, cuja eficiência mecânica global foi de 56%. O dimensionamento do diâmetro de uma turbina impulso também é realizado, obtendo-se uma eficiência mecânica global de 38% para um diâmetro de 2.00 m. A turbina impulso apresenta menores níveis de rotação e diâmetro do rotor, não necessitando da utilização da válvula de alívio. Tais características implicam na redução dos custos de aquisição e manutenção do equipamento.
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Analysis of hull–topside interaction by experimental approach on floating production unit P-53
(2012) Pinto, Wagner Mespaque; Frainer, Vitor Jose; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas
This case study analyses the structural behavior of a supporting system for modularized process plants used in ship shaped floating oil production units, through the monitoring of strain and relative displacements on the support structures of the modules on the deck, called stools. The target of this study is the platform P-53 from PETROBRAS. It is a 346 m long converted unit, turret-moored, and its oil production capacity is 180,000 bpd. Each module of its process plant is supported by four stools, two sliding ones and two fixed ones. A system for data acquisition was implemented to carry out this monitoring; 75 sensors such as strain gauges, displacement transducers and accelerometers were installed on the platform. Measurements were carried out during the installation of the modules upon the hull in the shipyard and in its final location, under the operational and environmental conditions of the Campos Basin (Rio de Janeiro, Brazil). No relative displacement between the sliding stools and the module pads was recorded throughoutthe monitoring period. This paper aims at contributing to the structural design ofthe modules and their supports on the deck. Besides, this paper can contribute to reviewing future projects.