EE – PPG - Programas de Pós-Graduação
URI permanente desta comunidadehttps://rihomolog.furg.br/handle/1/3205
Navegar
15 resultados
Resultados da Pesquisa
- ItemAnálise 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 AvilaTrocadores 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.
- ItemAnálise 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 PaixãoO 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.
- ItemSimulação numérica e design construtal aplicados a placas com enrijecedores longitudinais e transversais com diferentes relações altura/espessura(2019) Nogueira, Carolina Martins; Isoldi, Liércio AndréPlacas finas de aço com enrijecedores são amplamente utilizadas em estruturas navais, na construção civil e aeronáutica. Essas placas têm como característica o seu baixo valor de espessura em relação às demais dimensões. Um parâmetro de análise fundamental é a deflexão desta placa quando sujeita a um carregamento. No caso desta pesquisa, em que se estudam placas retangulares com enrijecedores sujeitas a uma carga transversal uniformemente distribuída, o cálculo analítico é complexo e limitado a casos específicos mais simples. Assim, foi necessária a utilização de soluções numéricas para a determinação da flecha após a deformação. Essas simulações numéricas foram realizadas através do software ANSYS®, que emprega o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os modelos numéricos utilizaram o elemento bidimensional SHELL281, de oito nós, com malha regular gerada a partir de quadriláteros. A obtenção das diferentes configurações geométricas analisadas foi determinada através do uso do Método Design Construtal, que transformou 30% do volume da placa de referência (sem enrijecedores) em enrijecedores dispostos na direção longitudinal e transversal da placa. Nesta transformação os valores de largura e comprimento da placa foram mantidos constantes. Essas diferentes configurações geométricas foram simuladas numericamente, sendo possível, então, a análise da influência dos parâmetros geométricos (número de enrijecedores na direção longitudinal e transversal, espessura do enrijecedor e relação entre a altura do enrijecedor na transversal e altura do enrijecedor na longitudinal) nas deflexões máximas e centrais da placa. Os resultados obtidos indicam que adição de enrijecedores acarreta em uma melhora no comportamento mecânico em relação à deflexão em todos os casos. Além disso, foi observado que o aumento na altura dos enrijecedores transversais é mais relevante do que dos longitudinais, conduzindo a uma maior diminuição da deflexão da placa no que tange aos deslocamentos máximo e central. A geometria otimizada resultou em uma redução de 97,92% na deflexão máxima e 98,81% na deflexão central em relação à placa de referência não enrijecida.
- ItemAvaliação geométrica de uma estrutura acoplada a um conversor de energia das ondas onshore do tipo galgamento aplicando o design construtal(2020) Barros, Andréia Sá de; Santos, Elizaldo Domingues dos; Gomes, Mateus das NevesNo presente trabalho foi realizado um estudo numérico de avaliação geométrica de um conversor de energia das ondas do tipo galgamento com uma estrutura acoplada (um obstáculo trapezoidal) montada no fundo de um canal de ondas em escala real, por meio do Design Construtal. É simulado o princípio de funcionamento do dispositivo que consiste no acúmulo de água em um reservatório elevado acima do nível do mar para conversão posterior em turbinas hidráulicas de baixa queda. O principal objetivo aqui é avaliar a geometria do conjunto dispositivo/obstáculo que maximiza a quantidade de água acumulada no reservatório do dispositivo. O problema estudado foi submetido a três restrições de áreas: área total do canal de ondas (AT), fração de área dada pela razão entre a área de rampa e a área total do canal (φr = Ar/AT) e área do obstáculo colocado no fundo do canal (At) e quatro graus de liberdade: razão entre a altura e o comprimento do canal (HT/LT), razão entre a altura e o comprimento da rampa (H3/L3) (ou declive da rampa), distância entre o fundo do canal e o dispositivo (H1) e razão entre as bases menor e maior do obstáculo trapezoidal (L1/L2). No presente estudo, são investigados os efeitos de H3/L3 e L1/L2 sobre a massa de água que entra no reservatório. Equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica da água são resolvidas com o Método dos Volumes Finitos (MVF). Para lidar com mistura água-ar, é utilizado o modelo multifásico Volume of Fluid (VOF). Os resultados mostraram que a associação de uma estrutura acoplada à rampa de um dispositivo de galgamento pode melhorar o desempenho do dispositivo em 30% comparado a um dispositivo convencional. A inserção do obstáculo contribuiu para o desempenho do dispositivo, porém H3/L3 possui maior efeito que L1/L2 sobre o indicador de performance. Por fim, a menor razão de H3/L3 associada a magnitudes intermediárias de L1/L2, ou seja, uma rampa no formato trapezoidal, levam ao melhor desempenho do conjunto dispositivo/obstáculo.
- ItemEstudo numérico aplicado à melhoria do comportamento mecânico de placas finas de aço com enrijecedores submetidas à flexão(2017) Ramos, Alexandro Pereira; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são elementos estruturais amplamente empregados em engenharia e especialmente em estruturas navais e offshore. Isso se deve ao fato de que estes componentes são capazes de resistir mecanicamente aos esforços que são submetidos possuindo um peso relativamente baixo. O estudo das placas finas de aço sob flexão sempre foi um problema complexo. A quantidade de variáveis que são consideradas na resolução de problemas de engenharia envolvendo placas retangulares excede o número de equações disponíveis para a solução analítica, impossibilitando a obtenção de resultados exatos. Nesse contexto, o presente trabalho analisou numericamente o comportamento mecânico de uma placa fina de aço, quadrada, sob flexão, simplesmente apoiada nos quatro lados, inicialmente sem enrijecedores, sendo seus valores máximos de deslocamento transversal e de tensão de von Mises usados como referência. Na sequência, empregou-se o parâmetro de fração de volume dos enrijecedores (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores e o volume total do componente estrutural placa/enrijecedores. Então, foi adotado φ = 0,50 e a placa de referência (sem enrijecedores) teve o material referente à metade de sua espessura transformado em enrijecedores, sendo preservadas as medidas de comprimento e largura da placa de referência. Dessa forma, o volume de aço usado na placa sem enrijecedores foi o mesmo utilizado na placa de referência, o que permitiu avaliar a influência do número, disposição e dimensões dos enrijecedores no comportamento mecânico da placa submetida à flexão. Então, tendo como objetivo, minimizar o máximo deslocamento transversal da placa e minimizar a máxima tensão na placa, diferentes configurações de enrijecedores longitudinais e transversais, foram comparadas entre si e com a placa de referência, visando determinar qual configuração geométrica, dentre as avaliadas, conduz ao melhor comportamento mecânico. Para tanto, o grau de liberdade he/te, que relaciona a altura do enrijecedor (he) e sua espessura (te) foi considerado, além disso um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), desenvolvido no software ANSYS, foi utilizado. Os resultados obtidos indicaram que é possível melhorar o desempenho mecânico, em até 600% quando a melhor configuração geométrica é comparada com a pior.
- ItemEstudo numérico aplicado à melhoria do comportamento mecânico de placas finas de aço com enrijecedores submetidas à flexão(2017) Ramos, Alexandro Pereira; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são elementos estruturais amplamente empregados em engenharia e especialmente em estruturas navais e offshore. Isso se deve ao fato de que estes componentes são capazes de resistir mecanicamente aos esforços que são submetidos possuindo um peso relativamente baixo. O estudo das placas finas de aço sob flexão sempre foi um problema complexo. A quantidade de variáveis que são consideradas na resolução de problemas de engenharia envolvendo placas retangulares excede o número de equações disponíveis para a solução analítica, impossibilitando a obtenção de resultados exatos. Nesse contexto, o presente trabalho analisou numericamente o comportamento mecânico de uma placa fina de aço, quadrada, sob flexão, simplesmente apoiada nos quatro lados, inicialmente sem enrijecedores, sendo seus valores máximos de deslocamento transversal e de tensão de von Mises usados como referência. Na sequência, empregou-se o parâmetro de fração de volume dos enrijecedores (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores e o volume total do componente estrutural placa/enrijecedores. Então, foi adotado φ = 0,50 e a placa de referência (sem enrijecedores) teve o material referente à metade de sua espessura transformado em enrijecedores, sendo preservadas as medidas de comprimento e largura da placa de referência. Dessa forma, o volume de aço usado na placa sem enrijecedores foi o mesmo utilizado na placa de referência, o que permitiu avaliar a influência do número, disposição e dimensões dos enrijecedores no comportamento mecânico da placa submetida à flexão. Então, tendo como objetivo, minimizar o máximo deslocamento transversal da placa e minimizar a máxima tensão na placa, diferentes configurações de enrijecedores longitudinais e transversais, foram comparadas entre si e com a placa de referência, visando determinar qual configuração geométrica, dentre as avaliadas, conduz ao melhor comportamento mecânico. Para tanto, o grau de liberdade he/te, que relaciona a altura do enrijecedor (he) e sua espessura (te) foi considerado, além disso um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), desenvolvido no software ANSYS, foi utilizado. Os resultados obtidos indicaram que é possível melhorar o desempenho mecânico, em até 600% quando a melhor configuração geométrica é comparada com a pior.
- ItemOtimização geométrica de um canal com aletas retangulares submetido à convecção forçada aplicando o método design construtal(2017) Feijó, Bruno Costa; Santos, Elizaldo Domingues dos; Goulart, Jhon Nero VazO presente trabalho é um estudo sobre o escoamento em canais aletados. O problema proposto foi simulado numericamente e o método Design Construtal associado à busca exaustiva foi aplicado para uma avaliação geométrica do canal. O problema consiste em um canal bidimensional, contendo duas aletas retangulares aquecidas, uma na parede superior e outra na inferior. Um escoamento incompressível atravessa o canal em regime laminar, permanente, com uma temperatura menor do que a temperatura das aletas, causando a convecção forçada. Dois graus de liberdade foram considerados: a razão entre a altura e a largura das duas aletas (H1/L1; H2/L2). Além destes dois graus de liberdade também foram variadas as razões entre as áreas das aletas e as suas áreas de ocupação. A avaliação geométrica teve dois objetivos: maximizar a troca térmica entre as aletas e o escoamento circundante e minimizar a diferença de pressão entre a entrada e a saída do canal, ou seja, um objetivo térmico e um fluidodinâmico, respectivamente. Foi concluído que a maior razão da área das aletas sobre sua área de ocupação entre as estudadas neste trabalho, φ1 = φ2 = 0,2, é que melhor atende ao multiobjetivo proposto, sendo superior em 8,58% ao caso ótimo obtido para a menor fração de área estudada, φ1 = φ2 = 0,05. Também foi demonstrado que razões intermediárias entre a altura e largura das aletas são as que melhor atendem ao problema multi- ojetivo. Foi verificado que uma variação das razões entre altura e largura das aletas causa um efeito significativamente maior na diferença de pressão do canal do que sobre a troca térmica. A análise térmica do problema indicou que as geometrias que tem melhor desempenho térmico são as geometrias em que as aletas possuem maior inserção no canal (maior altura e maior área) enquanto que a análise fluidodinâmica demonstrou que os melhores desempenhos deste ponto de vista são obtidos quando as aletas possuem as menores alturas e áreas dentre as estudadas.
- ItemSimulação numérica e método constructal design aplicados ao estudo de flambagem em placas com furos hexagonais utilizadas em estruturas navais e oceânicas(2015) Silva, Caio Cesar Cardoso da; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são componentes estruturais de grande importância, quando utilizados em estruturas navais e oceânicas como, por exemplo, plataformas de petróleo, comportas, docas flutuantes e embarcações em geral. Uma característica geometrica notável em placas finas de aço é a sua esbeltez. Quando uma placa esbelta é submetida a um carregamento de compressão axial, um comportamento mecânico denominado flambagem pode ocorrer, provocando um deslocamento lateral do elemento. Este fenômeno de instabilidade pode ser dividido em flambagem elástica (linear) e elasto- plástica (não linear), dependendo de aspectos dimensionais, construtivos e/ou operacionais. Constantemente, a realização de perfurações nestes componentes estruturais é necessária, o que gera uma redistribuição de tensões nas placas, causando mudanças nas características de flambagem e no desempenho mecânico da placa. Este trabalho propõe um estudo do fenômeno de flambagem em placas quadradas ou retangulares, simplesmente apoiadas e com perfurações hexagonais centralizadas. A simulação numérica foi utilizada, com o auxílio do software ANSYS® , para determinar a carga crítica de flambagem e a carga de colapso da placa. O método Constructal Design foi aplicado, permitindo avaliar a influência do grau de liberdade H0/L0 (sendo H0 a altura e L0 o comprimento da perfuração, respectivamente) de cada tipo de perfuração (hexagonal longitudinal e transversal), no comportamento mecânico das placas. A fração de volume da perfuração na placa (φ) foi outro grau de liberdade considerado, correspondendo a 10%, 15%, 20% e 25% do volume total da placa, respectivamente. Os resultados mostraram a direta influência da relação H0/L0 na definição do tipo de flambagem para cada valor de fração de volume estudada. Além disso, o método Constructal Design, associado ao mecanismo de busca exaustiva, permitiu definir a dimensão ótima para cada tipo de perfuração, ou seja, aquela que conduz a placa a um melhor desempenho mecânico.
- ItemAnálise numérica da flambagem de placas finas de aço com enrijecedores através do método design construtal(2016) Lima, João Paulo Silva; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosA crescente participação da indústria naval e offshore no mercado acarretou impactos positivos sobre a economia brasileira. Com isso, a produção naval deparou-se com uma necessidade de criação de estruturas cada vez maiores e mais resistentes. As estruturas navais são constituídas basicamente por painéis ortotrópicos de aço formados pela soldagem de vigas em placas finas. Placas ortotrópicas possuem vigas dispostas longitudinalmente e transversalmente, chamadas de enrijecedores, com o objetivo de aumentar a resistência mecânica. Assim, é desejável obter uma geometria ótima de forma a maximizar sua tensão última de flambagem. Nesse contexto, empregou-se o Método dos Elementos Finitos através do software ANSYS e o Método Design Construtal associado ao método da Busca Exaustiva, em um estudo de otimização geométrica de placas com enrijecedores submetidas à flambagem elasto-plástica. Inicialmente adotou-se uma placa fina simplesmente apoiada sem enrijecedores, usando como referência o valor da tensão última de flambagem da mesma. Após, parte deste volume foi transformado em enrijecedores, os quais foram incorporados à placa. Para isso, a variável fração de volume (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores (Ve) e o volume total do elemento estrutural placa/enrijecedores (Vt), foi adotada, mantendo o volume da placa. Foram analisadas ao todo 16 combinações diferentes de enrijecedores do tipo P(Nel,Net), sendo Nel =2,3,4 e 5 o número de enrijecedores longitudinais, e Net = 2,3,4 e 5 o número de enrijecedores transversais da placa. Quatro valores de fração volumétrica foram adotados φ = 0,1; 0,2; 0,3 e 0,4 em todos os arranjos geométricos. Para cada análise, os painéis enrijecidos apresentaram uma relação hs/ts, relacionando a altura do enrijecedor e sua espessura. O estudo considerando dois valores de volume inicial Vt1 = 0,040 m3 e Vt2 = 0,028 m3 . Os resultados obtidos foram comparados entre si e com as placas sem enrijecedores, indicando que a variação da configuração geométrica afeta significativamente o comportamento mecânico dos painéis enrijecidos sob flambagem. Sendo assim, é possível determinar a geometria ótima que conduz a uma carga última maximizada, próxima à tensão de escoamento do material. As placas enrijecidas com volume Vt1 não apresentaram melhorias relevantes com a adição de enrijecedores, onde a geometria ótima do tipo P(2,5) com φ = 0,3 e relação hs/ts = 4,501, dentre todas as geometrias analisadas apresentou uma melhoria de apenas 7,38% em relação à tensão última da placa de referência após a adição de enrijecedores. Já o estudo feito com placas de volume Vt2 apresentou melhorias significativas no valor da tensão última de flambagem, de forma que a configuração ótima dentre todas as geometrias foi do tipo P(2,2), com φ = 0,3 e relação (hs/ts) = 14,09, apresentou uma melhoria de 88,50% em relação à tensão última para a placa com mesmo volume inicial de material, porém sem enrijecedores.
- ItemModelagem computacional e método design construtal aplicados à otimização geométrica de placas finas de aço com enrijecedores submetidas a carregamento transversal uniforme(2017) Troina, Grégori da Silva; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dosEstruturas que utilizam placas finas de aço com enrijecedores são amplamente empregadas na indústria aeronáutica, construção civil, além de assumirem um papel importante no setor de construção e reparação naval. Simulações numéricas são ferramentas imprescindíveis para a solução de problemas complexos de engenharia que envolvem essas estruturas. A fim de determinar relações geométricas ótimas que minimizam os deslocamentos transversais em placas enrijecidas submetidas a esforços transversais uniformemente distribuídos, esse trabalho utilizou modelos computacionais para analisar deflexões de placas retangulares reforçadas por enrijecedores de seção transversal também retangular. Para a obtenção das diferentes configurações geométricas a serem analisadas em busca da geometria ótima, foi aplicado o método Design Construtal. Além dos princípios do Design Construtal, essa pesquisa utilizou a técnica de otimização por Busca Exaustiva, ou seja, um grande número de geometrias foi estudado para a obtenção daquelas com melhor comportamento estrutural quanto à deflexão. As soluções numéricas foram obtidas através do software ANSYS®, que emprega a metodologia dos elementos finitos (MEF) para a resolução de problemas estruturais. Os modelos utilizados para as análises foram construídos com elementos finitos bidimensionais (SHELL93) e tridimensionais (SOLID95). Uma placa de referência foi adotada para a geração de todas as geometrias de placas a serem analisadas, sendo a construção da placa enrijecida resultado da transformação de uma certa quantidade de material da espessura da placa de referência em enrijecedores longitudinais e transversais. Após as simulações numéricas, os resultados obtidos foram apresentados em gráficos de dispersão de pontos para mostrar a influência dos graus de liberdade nos resultados de deflexão central das placas. Para todos os casos simulados foi possível perceber um padrão no comportamento da deflexão conforme se aumentava a relação entre altura do enrijecedor e sua espessura, sendo possível ajustar a esses gráficos curvas de potência com coeficientes de qualidade de ajuste todos superiores a 92 %. As placas otimizadas foram determinadas para as cinco frações volumétricas φ (relação entre o volume de material dos enrijecedores e o volume total de material da placa enrijecida) estudadas e apresentaram redução superior a 90 % em seus deslocamentos transversais quando comparadas com a deflexão no centro da placa de referência não enrijecida. Por fim, foi avaliada a influência do parâmetro φ em relação às placas otimizadas, com o objetivo de encontrar a configuração com melhor performance estrutural global (em termos de deslocamentos transversais) entre todos os resultados gerados nessa pesquisa.