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.