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 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 de fadiga e impacto em bicicletas de alto rendimento(2019) Costa, Tatielen Pereira; Guilherme, Carlos Eduardo Marcos; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasNos 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.
- ItemEstudo de dois aplicativos para solução de escoamento de fluidos com superfície livre(2004) Silva, Mario Augusto de Lima e; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasO conhecimento da circulação de oceanos, regiões costeiras, estuários rios e lagoas é um campo relativamente novo e de fundamental importância pela sua influência no clima e nas atividades comerciais e industriais. Existem inúmeros aplicativos utilizados na modelagem numérica da dinâmica de circulação de águas. A proposta deste trabalho é a de realizar uma análise comparativa entre os modelos Deft-3D-Flow e POM, utilizados na simulação da circulação em regiões costeiras e estuarinas, analisando as equações governantes do problema, o método de integração destas equações, as condições de contorno, os modelos de turbulência e alguns aspectos numéricos.
- ItemAdaptação de um código computacional de escoamentos incompressíveis 3-D para problemas com superfície livre(2006) Vanini, Lucas; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasNeste 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.
- 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.