IMEF – Mestrado em Modelagem Computacional
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Resultados da Pesquisa
- ItemAplicação do Constructal Design na Otimização da Capacidade Resistente de Colunas de Aço com Furos Elípticos(2015) Thormann, Daniela Nahuys; Real, Mauro Vasconcellos; Isoldi, Liércio AndréColunas de aço suportam grandes esforços, apesar da área de sua seção transversal ser relativamente pequena quando comparada ao seu comprimento, devido ao fato de apresentarem alta resistência mecânica nos diversos estados de tensão. Apesar disto, quando estes elementos estruturais estão sujeitos à carga axial de compressão podem desenvolver um fenômeno chamado de flambagem, podendo ser elástica ou elasto-plástica. Em muitos projetos de engenharia é necessário que sejam feitas perfurações na alma das colunas. No entanto, estas perfurações podem influenciar, significativamente, tanto no valor da carga crítica de flambagem quanto no valor da carga última. Em vista disto, foi realizado um estudo numérico da capacidade de carga de colunas de aço do tipo U com perfurações elípticas, através do Método de Elementos Finitos (MEF) pelo software ANSYS®. Inicialmente, foi feita a verificação do modelo numérico para a carga crítica elástica com resultados de outros autores, e, após, a validação para a carga última elasto-plástica com resultados experimentais encontrados na literatura. Testes para perfurações elípticas foram feitos, levando em conta a retirada de frações do volume das perfurações (), que é a relação entre o volume dos furos e o volume total da coluna, de = 0,05; 0,10 e 0,15. Para cada fração de volume foi variada a relação entre as dimensões características das perfurações, ou seja, uma relação entre os eixos da elipse (H0/L0). Em cada fração de volume, , foi possível determinar, através do método de Constructal Design, um valor ótimo para as dimensões características das perfurações (H0/L0)o que conduz a um comportamento mecânico superior da coluna. As colunas apresentaram melhoria com relação às suas cargas de até 31,66% na análise linear e 74,55% na análise não linear, considerando a retirada de 15% do volume total do material, após a aplicação do método de Constructal Design.
- ItemDesign e modelagem computacional aplicados á avaliação geométrica de canais abertos em um processo de infusão de resina(2016) Magalhães, Glauciléia Maria Cardoso; Santos, Elizaldo Domingues dos; Souza, Jeferson AvilaO presente trabalho apresenta uma investigação numérica de um processo de infusão de resina líquida, que consiste na injeção de uma resina polimérica em um molde fechado composto por um meio fibroso e um canal aberto que facilita o escoamento da resina ao longo do domínio. No âmbito industrial, o método da tentativa e erro tem sido normalmente empregado para a definição geométrica dos canais, o que pode levar a elevado tempo de injeção e falha durante as fases iniciais da produçãode um novo componente em material compósito. O principal objetivo do trabalho é aplicar o Design Construtal para orientar o projeto neste tipo de processo. Mais precisamente, é investigada a influência da geometria de canais abertos em forma de "I" e "T" inseridos em uma placa retangular bidimensional com um meio poroso, sobre o tempo de infusão da resina. O canal em forma de "I" tem como grau de liberdade a relação L0/H0 (relação entre a espessura e o comprimento do canal), enquanto que o canal em forma de "T" tem três graus de liberdade: L0/H0 (relação entre a espessura e o comprimento do ramo simples), L1/H1 (relação entre o comprimento e a espessura do ramo bifurcado) e H0/H1 (relação entre o comprimento do ramo simples e a espessura do ramo bifurcado).A avaliação numérica do efeito da geometria sobre o tempo de infusão foi realizada através do Design Construtal e a otimização geométrica através da Busca Exaustiva (BE). As equações de conservação de massa e quantidade de movimento para a mistura de resina e ar e uma equação para o transporte da resina foram resolvidas com o Método dos Volumes Finitos (MVF). A interação entre as fases foi tratada com o método Volume of Fluid (VOF). A resistência do meio poroso foi considerada através da lei de Darcy. Os resultados mostraram a importância do emprego do Design Construtal na minimização do tempo de injeção de resina no meio poroso. As melhores geometrias com o canal em forma de "I" foram as com uma maior penetração na placa porosa para a região de saída. Para o canal em forma de "T" as geometrias de pior desempenho são restritas na região inferior da placa e o desempenho é melhorado quando o ramo principal tem elevada inserção no meio poroso para a região da saída e a razão entre as espessuras do ramo simples e bifurcados não seja muito elevada ou pequena. Quando comparado o desempenho dos canais em forma de "I" e em forma de "T" sobre o tempo de infusão, os resultados mostraram que a geometria três vezes otimizada para o canal em forma de "T" é cerca de 192,0 % melhor que a geometria ótima para o canal em forma de "I". Nestesentido, os resultados mostraram a importância da avaliação geométrica para o processo de infusão de resina líquida e a aplicação do Design Construtal para racionalizar o projeto desse tipo de processo.
- ItemEstudo numérico da forma geométrica de canais aletados em escoamento com transferência de calor por convecção mista(2016) Altnetter, Maicon Vinicius; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rodriguez, Bárbara Denicol do AmaralNo presente trabalho é realizado um estudo numérico em escoamento incompressível, laminar, bidimensional com convecção mista em um canal horizontal com duas aletas retangulares inseridas nas superfícies, onde a influência da geometria e o posicionamento das aletas sobre a taxa de transferência de calor são avaliados com o método Design Construtal. O problema é submetido a duas restrições geométricas, dadas pelas áreas do canal e das duas aletas, e três graus de liberdade: H1/L1, que é a razão entre as dimensões da aleta a montante do escoamento, H2/L2, é a razão entre as dimensões das aletas a jusante e L3, o distanciamento entre os centros das aletas. Dessa forma, foi possível maximizar a taxa de transferência de calor por unidade de comprimento três vezes (qmmm). Também foi avaliada a influência geométrica para diferentes números de ReH (10, 100 e 200) e GrH (103, 104 e 105). A criação do domínio computacional, discretização e especificação das regiões de imposição das condições de contorno (pré-processamento) foram realizadas com o software GAMBIT®. Já o processamento, que consiste em solucionar numericamente, através do Método dos Volumes Finitos, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia, foi realizado no software FLUENT®. A partir dos resultados obtidos pode-se observar que as taxas de transferência de calor por unidade de comprimento foram maximizadas para as maiores razões de H1/L1 e H2/L2, ou seja, quando as aletas tiveram a maior inserção no domínio do canal. O distanciamento, uma vez otimizado das aletas, (L3)o, sofreu influência dos números de ReH e GrH avaliados. Dessa forma, os resultados indicaram que a aplicação do Design Construtal levou a resultados com mais de 100% de diferença na taxa de transferência de calor entre as geometrias ótimas e as piores configurações estudadas, evidenciando assim a relevância e a necessidade da realização de uma análise geométrica do problema proposto para alcançar um desempenho satisfatório.
- ItemAnálise 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 dosO 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.
- ItemOtimização Geométrica da Forma e Estrutura em um Problema de Transferência de Calor Aplicando a Teoria Constructal e o Simulated Annealing(2015) Gonzales, Gill Valleda; Santos, Elizaldo Domingues dos; Emmendorfer, Leonardo RamosNesta pesquisa é estudada a aplicação do algoritmo Simulated Annealing (SA) associada à Teoria Constructal para a otimização geométrica da forma e estrutura em problemas de transferência de calor. Dois problemas envolvendo cavidades resfriadoras são estudados. Primeiramente, o algoritmo SA é aplicado à otimização de uma cavidade em forma de Y com quatro graus de liberdade e três restrições geométricas. A mesma foi otimizada em estudos prévios da literatura através dos métodos de Busca Exaustiva (BE) e Algoritmo Genético (AG) com variação geométrica realizada através do Constructal Design. O principal parâmetro do algoritmo SA (resfriamento da temperatura de controle do algoritmo, denominado cooling schedule) também é estudado. Os modelos tradicionais de resfriamento (Boltz, Exponencial e Fast) são investigados juntamente com novos modelos híbridos, propostos neste estudo e nomeados de BoltzExp, ConstExp1 e ConstExp2. A análise dos parâmetros é realizada através de uma experiência para a otimização de dois graus de liberdade da cavidade em Y. Nesta, são executadas vinte rodadas de trinta execuções de cada versão do algoritmo SA, configurado com diferentes parâmetros de cooling schedule, sendo avaliada a quantidade de vezes que cada algoritmo alcançou a geometria ótima global. Para um problema com até três graus de liberdade, os resultados do SA são comparados com os obtidos pelos métodos BE e AG e para sistemas mais complexos é investigado o efeito das restrições fi e psi (que representam a área inscrita e a área da cavidade em Y) onde os resultados são novamente comparados com os obtidos com AG. Através de técnicas de análises estatísticas foi possível verificar diferenças significativas entre os resultados do SA com os diferentes cooling schedules investigados. Em um segundo estudo, é proposta uma nova geometria de cavidade na forma de duplo-T, para um problema da mesma natureza da cavidade em Y. A nova geometria possui cinco graus de liberdade e quatro restrições. O algoritmo SA é aplicado na otimização da cavidade em duplo-T com as mesmas configurações de parâmetros validados no processo de otimização da cavidade em forma de Y. Também foi realizada uma comparação entre o desempenho térmico da nova cavidade proposta, em forma de duplo-T, e a cavidade em forma de Y para a razão de H/L = 1 e para a otimização completa de ambas cavidades. De uma forma geral, a otimização completa demonstrou a eficiência dos modelos híbridos, assim como a vantagem em utilizar mais de uma versão do SA quanto à precisão dos resultados da otimização. Os resultados mostram que o SA é adequado e indicado à utilização junto ao método Constructal Design em problemas de cavidades.
- ItemOtimização da Capacidade Resistente de Colunas de Aço com Perfurações Retangulares Através do Constructal Design(2015) Silva, Rafaella Colares da; Real, Mauro Vasconcellos; Isoldi, Liércio AndréAs colunas de aço oferecem alta resistência mecânica nos diversos estados de tensão, suportando grandes esforços apesar da área da seção transversal ser relativamente pequena. As mesmas são elementos estruturais amplamente empregados em projetos de engenharia. Porém, elementos estruturais sujeitos a carga axial compressiva podem desenvolver o fenômeno conhecido como flambagem, podendo apresentar um comportamento elástico ou elastoplástico. Além disso, a inserção de perfurações na alma das colunas pode influenciar no valor da carga crítica de flambagem e de sua carga última. Desse modo, neste trabalho foi realizado um estudo numérico da capacidade de carga de colunas de aço com seção transversal do tipo U simples com perfurações retangulares, através do Método de Elementos Finitos (MEF) pelo software ANSYS®. Para isso, foi feita a verificação do modelo numérico para a carga crítica elástica comparando com resultados de outros autores, e, em seguida, a validação para a carga última (elastoplástica) com resultados experimentais. Através da modelagem computacional, o método Constructal Design foi utilizado para comparar os resultados entre os tipos de perfurações, visando maximizar a capacidade de carga. Testes para perfurações retangulares foram feitos, levando em conta a retirada de 5%, 10% e 15% do volume do material da coluna. Para cada fração de volume foi variada a relação entre as dimensões características das perfurações (H0/L0), permitindo determinar um valor ótimo para as dimensões características das perfurações (H0/L0)o.
- ItemAplicação do Design Construtal para Avaliação Geométrica de Sítios de Conversão de Energia na Plataforma Continental Sul do Brasil.(2017) Timm, Régis Lucas; Marques, Wiliam CorreaAs necessidades energéticas do homem estão em constante evolução. Já somos mais de 7 bilhões de pessoas em um planeta onde a mudança do estilo de vida da população é constante e esta mudança faz com que a dependência da humanidade pela energia seja cada vez maior. O panorama mundial está mudando rapidamente, por motivos ligados a três das grandes preocupações da humanidade: meio ambiente, energia e economia global. Atualmente as grandes potências mundiais mantêm investimentos fortes nas fontes de energias renováveis, mas não conseguem se tornar totalmente independentes das fontes de combustíveis fósseis. A preocupação mundial em expandir a matriz energética foi o que ocasionou a busca por um maior número de fontes de energias renováveis possibilitando assim sua maior diversificação. Dentro da diversificação de fontes de recursos energéticos renováveis para uma melhoria da malha energética, os oceanos surgem como uma das opções a serem estudadas. O presente trabalho apresenta um estudo sobre a configuração de um sítio de conversores dentro da Plataforma Continental Sul do Brasil e busca encontrar uma configuração que alcance a maior potencialização de conversão, para isso foi utilizado o método do Design Construtal para o desenvolvimento do melhor arranjo das turbinas levando em consideração suas regras de restrição. Neste estudo foi utilizado o modelo tridimensional TELEMAC3D para análise dos processos hidrodinâmicos, este modelo foi acoplado ao módulo de conversão de energia para o cálculo da potência convertida. Este estudo também realizou uma comparação com estudos encontrados na literatura e apresenta a importância da análise da hidrodinâmica do local onde será implantado o sítio, pois este afeta a posição dos conversores. Os resultados obtidos indicaram que a construção do arranjo segue um padrão assimétrico. Isso ocorreu devido ao comportamento do escoamento não ter um padrão definido, como ocorrem em experimentos controlados. Assim, as recomendações teóricas propostas em estudos de laboratório podem sofrer desvios quando aplicadas em sítios reais, o que não acontece na proposta de estudo realizada aqui, visto que a aplicação ocorreu em um sítio real. A esteira que se desenvolveu após o escoamento passar pelos conversores mostrou que fica inviável a implantação de conversores dentro desta área que chegou a mais de 1000m, levando em conta a quebra na intensidade da corrente que ocorre. O estudo desenvolvido permitiu obter um ganho de potência disponível de 23,73% em comparação com um arranjo simulado proposto na literatura. Dessa forma, o método Design Construtal conduziu a uma importante recomendação teórica sobre o design nesse tipo de aplicação.
- ItemAvaliação 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 FranciscoO 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).