EE - Escola de Engenharia
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- ItemAnálise 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, EricAtualmente, 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.
- 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.
- ItemAnálise 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 LionelCom 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%).
- ItemSimulação numérica do comportamento tribológico de superfícies texturizadas de cilindros de motores de dois tempos(2023) Oliveira, Elton Yvens Godoy de; Murray, Henara Lilian Costa; Profito, Francisco JoséAtualmente o desenvolvimento de motores de combustão interna mais eficientes tem por foco a redução do atrito entre as interfaces móveis do motor, principalmente no contato entre as superfícies dos anéis do pistão e do cilindro. Dentre os vários meios existentes para diminuir o atrito deste tribossistema, há a inserção de texturas de sulcos de brunimento em uma ou ambas as superfícies. Algumas técnicas lançam mão da criação de modelos numéricos de superfícies brunidas para simular o comportamento em regime de lubrificação mista de superfícies texturizadas em sistemas pistão/cilindro. Este trabalho busca a otimização de padrões de brunimento para a superfície do cilindro de motores de dois tempos. Ainda pouco explorado, o estudo do brunimento possui poucas referências sobre a simulação numérica de seu comportamento nestes tipos de motores, principalmente sobre a combinação de uma textura estocástica com sulcos de brunimento, formando uma textura híbrida. Estes cilindros possuem uma textura estocástica prévia resultante de um revestimento de cromo duro aplicado industrialmente, seguido de polimento. Com o auxílio de ferramentas computacionais para inserção de sulcos de brunimento, foram realizadas simulações numéricas para avaliar os efeitos do ângulo de cruzamento (α), profundidade (dp), largura (w) e densidade (de) destes sulcos na lubrificação e atrito do tribossistema pistão/cilindro. Através destes métodos, chegou-se aos valores de α = 40°, de = 0.15, w = 15 μm e dp = 1.5 μm, os quais apresentaram melhor comportamento entre as superfícies numericamente modificadas. Os resultados sugerem que, neste caso, os sulcos não resultariam em redução de atrito. Isso provavelmente ocorre porque, para os casos estudados, já havia uma textura estocástica resultante da deposição anterior de cromo duro, a qual possuía dimensões mais significativas que os sulcos de brunimento digitalmente introduzidos.
- ItemSimulação numérica do processo de soldagem MIG/MAG multipasse de topo em chapas de aço inoxidável 304L utilizando a técnica element birth and death(2015) Farias, Rodrigo Martins; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasOs processos de soldagem envolvem fenômenos físicos e químicos muito complexos e, por isso, difíceis de serem modelados matematicamente. Embora os efeitos térmicos, mecânicos e metalúrgicos acoplados sejam importantes, na maioria dos casos são encontrados bons resultados considerando modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor e nas que governam o comportamento estrutural do material. De modo geral, o campo térmico é independente do estrutural, permitindo que as soluções sejam realizadas em sequência, sem necessidade de acoplamento. As análises mais adequadas dos processos de soldagem com deposição de material utilizam a técnica denominada de element birth and death, a qual considera a ativação dos elementos pertencentes ao cordão de solda em uma malha de elementos finitos a medida que a fonte de calor se movimenta. Neste trabalho, são apresentadas análises numéricas de soldagem de topo multipasse, com chanfro em V, de chapas de aço inoxidável AISI 304L através do processo MIG/MAG convencional. As chapas possuem 9.6 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. As simulações numéricas foram realizadas no software ANSYS c Multiphysics, considerando as transferências de calor na superfície da poça de fusão, e propriedades do material como dependentes da temperatura, tanto na simulação térmica quanto na mecânica. A fonte de calor móvel é do tipo Gaussiana de área. Os formatos da zona de fusão, ciclos térmicos e distorções finais da peça obtidos dos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem (LAPES – FURG) são comparados com os resultados das simulações numéricas. Um dos inconvenientes da simulação da soldagem multipasse é o fato de que os elementos pertencentes aos passes intermediários têm suas fronteiras vizinhas aos elementos dos outros passes, sendo impedidos, dessa forma, de contemplar os efeitos de transferência de calor para o ambiente. Assim, comparou-se os resultados de dois algoritmos: o primeiro que adota o método clássico, onde ocorre o impedimento destas transferências para o ambiente nos passes intermediários, e outro que considera estes efeitos na superfície do cordão de cada passe. Observou-se diferenças nos resultados pelo uso dos dois algoritmos, concluindo-se que estes efeitos térmicos são importantes na região de deposição de material. Na etapa mecânica foram simulados os campos de distorções e tensões residuais, sendo as distorções comparadas com os experimentos e as tensões comparadas com os comportamentos típicos esperados para chapas soldadas. Obteve-se razoável aproximação para o campo de distorções e foram encontrados comportamentos trativos e compressivos para as tensões residuais nos locais esperados. Ao final são sugeridos diversos tópicos que merecem destaque para pesquisas futuras sobre as simulações dos processos de soldagem com arco elétrico.
- ItemAnálise numérica do processo de soldagem GTAW com deflexão magnética em aços baixo carbono(2016) Clain, Fernanda Mazuco; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasA 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.
- ItemModelagem numérica do campo de temperatura em uma junta soldada utilizando fonte de calor volumétrica(2016) Machado, Thiago da Silva; Cunda, Luiz Antônio Bragança daA utilização dos métodos numéricos para avaliar o comportamento dos fenômenos envolvidos nos processos de soldagem tem se tornado uma forte ferramenta na área da fabricação mecânica. Apesar da complexidade desses fenômenos, os modelos computacionais atuais permitem uma ótima aproximação de resultados quando comparados a resultados experimentais. O método dos elementos finitos é a técnica mais comum utilizada para análises envolvendo processos de soldagem, que por sua vez, acoplam os efeitos térmicos, mecânicos e metalúrgicos simultaneamente. Apesar da importância da análise simultânea desses fenômenos, de modo geral, não há uma dependência entre a análise térmica, que apresenta modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor, e a análise estrutural. Sendo assim, as análises podem ser realizadas em sequência sem a necessidade de acoplamento. Este trabalho tem por objetivo a modelagem do campo de temperaturas em uma junta soldada utilizando fonte de calor volumétrica. No presente trabalho são apresentadas simulações numéricas de uma junta de topo, com chanfro em V, de chapas de aço AISI 304L soldadas pelo processo GMAW. As simulações foram realizadas no software ABAQUS Simulia®, onde se movimentou uma fonte de calor volumétrica através de uma chapa medindo 200 mm de comprimento, 50 mm de largura e 9,5 mm de espessura. Para fins de validação do modelo térmico proposto, foi realizado um estudo comparativo com os resultados numéricos e experimentais obtidos pelo Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem da Universidade Federal do Rio Grande durante a execução do projeto PRONEM/FAPERGS. Neste comparativo comprovou-se a eficiência da aplicação da fonte de calor volumétrica para solução de problemas envolvendo processos de soldagem. No intuito de melhorar os resultados obtidos, foram propostas variações nos parâmetros geométricos da fonte de calor volumétrica.
- ItemAnálise 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 JúlioO 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.
- Item3D 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 dosThe 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.
- ItemSimulação numérica de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante: comparação de dois códigos numéricos(2010) Conde, José Manuel Paixão; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric LionelNeste artigo apresentam-se os resultados da aplicação de dois códigos numéricos na simulação de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante. Um dos códigos (FLUINCO) é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro (FLUENT) na técnica dos volumes finitos. O objectivo do trabalho consiste na validação destes códigos para este tipo de escoamento, com o intuito de os aplicar de forma sistemática no projecto de sistemas de aproveitamento de energia das ondas. O caso simulado, que corresponde a um modelo simplificado testado experimentalmente, permitiu concluir da boa qualidade dos resultados obtidos, existindo uma boa correspondência entre os resultados experimentais e os obtidos pelos códigos numéricos.