IMEF - Pós-Graduação em Modelagem Computacional
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- ItemDesenvolvimento de modelos computacionais de trocadores de calor solo-ar considerando calor sensível e calor latente : estudo de caso no município de Rio Grande-RS(2022) Cangussu, Tiago Dénis Rodrigues; Estrada, Emanuel da Silva Diaz; Isoldi, Liercio AndreVive-se em uma época em que todo o mundo está cada vez mais preocupado com o meio ambiente e os impactos ambientais nele causado, tendo em vista isso os Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSAs) se destacam por ajudar a diminuir o consumo energético, já que eles complementam a matriz energética utilizada atualmente. Pois, a fonte de energia utilizada por estes equipamentos para aquecimento ou resfriamento de ambientes encontra-se no subsolo. Eles funcionam se aproveitando da energia térmica armazenada no solo, aquecendo o ambiente quando está frio ou o resfriando em períodos quentes. Este trabalho tem como objetivo efetuar estudos simulados de um TCSA na cidade de Rio Grande - RS, Brasil. Os modelos aqui propostos têm como características a utilização da umidade e consequentemente a troca de calor latente e sensível que ocorre na parede dos dutos soterrados dos TCSAs, além de tornar os modelos mais completos e precisos permitindo assim estudos posteriores sobre a viabilidade de implementação em diversas regiões. Também tem como uma característica importante o seu baixo custo computacional, permitindo ajustes de otimização e simulações. Foram desenvolvidos dois modelos: um tridimensional e um unidimensional, ambos com ótimos resultados quando comparados a um experimento real. Eles foram validados através dos resultados obtidos de um TCSA experimental construído na cidade de Viamão - RS, onde foram obtidos erros médio absoluto (MAE) de 1,59827 e 2,03362, respectivamente. Após o desenvolvimento dos mesmos, foi feito um estudo da eficiência energética dos modelos para avaliar a viabilidade de implementação de um TCSA na cidade de Rio Grande - RS. Para tal, baseou-se no indicador de coeficiente de performance (COP), obtendo-se um resultado médio anual de 1,15 para o modelo 3D e 1,66 para o modelo 1D, quando considerada uma temperatura de operação do TCSA entre 22 °C e 24 °C.
- ItemConversor de energia das ondas em energia elétrica com dispositivo de coluna de água oscilante: Simulação numérica e estudo geométrico.(2013) Grimmler, Juliana do Amaral Pereira; Isoldi, Liércio Andre; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rocha, Luiz Alberto OliveiraOs oceanos representam um dos maiores recursos naturais, possuindo expressivo potencial energético, podendo suprir parte da demanda energética mundial. Nas últimas décadas, alguns dispositivos destinados à conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica têm sido estudados. No presente trabalho, o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante, do inglês Oscillating Water Colum, (OWC) foi analisado numericamente. As ondas incidentes na câmara hidro-pneumática da OWC, causam um movimento alternado da coluna de água no interior da câmara, o qual produz um fluxo alternado de ar que passa pela chaminé. O ar passa e aciona uma turbina a qual transmite energia para um gerador elétrico. O objetivo do presente estudo foi investigar a influência de diferentes formas geométricas da câmara sobre o fluxo resultante de ar que passa pela turbina, que influencia no desempenho do dispositivo. Para isso, geometrias diferentes para o conversor foram analisadas empregando modelos computacionais 2D e 3D. Um modelo computacional desenvolvido nos softwares GAMBIT e FLUENT foi utilizado, em que o conversor OWC foi acoplado a um tanque de ondas. O método Volume of Fluid (VOF) e a teoria de 2a ordem Stokes foram utilizados para gerar ondas regulares, permitindo uma interação mais realista entre o conversor, água, ar e OWC. O Método dos Volumes Finitos (MVF) foi utilizado para a discretização das equações governantes. Neste trabalho o Contructal Design (baseado na Teoria Constructal) foi aplicado pela primeira vez em estudos numéricos tridimensionais de OWC para fim de encontrar uma geometria que mais favorece o desempenho do dispositivo. A função objetivo foi a maximização da vazão mássica de ar que passa através da chaminé do dispositivo OWC, analisado através do método mínimos quadrados, do inglês Root Mean Square (RMS). Os resultados indicaram que a forma geométrica da câmara influencia na transformação da energia das ondas em energia elétrica. As geometrias das câmaras analisadas que apresentaram maior área da face de incidência das ondas (sendo altura constante), apresentaram também maior desempenho do conversor OWC. A melhor geometria, entre os casos desse estudo, ofereceu um ganho no desempenho do dispositivo em torno de 30% maior.
- 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.
- ItemModelagem computacional de tabuleiros de pontes de concreto(2016) Botelho, Thaís de Oliveira; Real, Mauro de VasconcellosUma ponte é constituída de três partes: superestrutura, infraestrutura e mesoestrutura.A superestrutura é constituída de lajes, vigas principais e secundárias. A mesoestrutura éconstituída de pilares. A infraestrutura é a parte da ponte que transmite as cargas ao solo:blocos de fundações e estacas. A superestrutura, ou tabuleiro, é formada por uma grelhahiperestática de vigas longitudinais (longarinas) e transversais (transversinas), sendo que este problema necessita de recursos computacionais para a sua solução. Além disso, o fato do carregamento de uma ponte ser móvel complica ainda mais a solução do problema. Neste trabalho será rodado dois modelos de pontes, com os quais serão mostrados a complexidade da determinação das distribuições de cargas no tabuleiro de uma ponte, a evolução dos métodos simplificados e o método de elementos finitos. Também serão verificados os modelos calculados com o método de elementos finitos e comparados com os métodos simplificados. Será resolvido o problema da distribuição de cargas com o emprego do método de elementos finitos, que consiste na discretização de um meio em elementos menores, mantendo as propriedades do elemento inicial. Com isso, permitindo uma análise de um problema complexo transformado em uma série de problemas simples que ao serem somados resultam no problema inicial. Após a verificação dos modelos de elementos finitos com resultados de outros autores, é feito um estudo paramétrico avaliando a influência do comprimento da ponte, do número de vigas transversinas e da espessura da laje na distribuição do carregamento móvel entre as vigas longarinas. Os resultados mostram que o uso de transversinas e o aumento da espessura da laje contribui para a redistribuição dos momentos nas longarinas sob o carregamento, e que esse efeito é maior em pontes longas do que em pontes curtas.
- ItemModelagem Computacional aplicada ao estudo de trocador de calor solo-ar com configuração geométrica complexa(2015) Nunes, Bruna Rodrigues; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dosÉ possível aproveitar a energia solar como energia térmica através do uso de Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) para melhorar a condição térmica de ambientes construídos. Os TCSA são sistemas onde o ar ambiente é resfriado ou aquecido ao circular dentro de dutos horizontalmente enterrados. Esta troca acontece pela inércia térmica do solo, de modo que no verão o ar que sai do TCSA fique mais frio que o ar externo e mais quente no período do inverno. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo simular numericamente o comportamento térmico e fluidodinâmico do TCSA, permitindo a avaliação da influência da configuração geométrica da instalação no potencial térmico, no volume de solo ocupado e na perda de carga do TCSA. Para isso, foi simulado numericamente o caso de um TCSA com um duto reto, chamado de Instalação Referência. Após, foi realizado um estudo de espaçamento entre dutos paralelos, visando identificar uma distância mínima entre os mesmos que não afetasse, significativamente, o desempenho do TCSA. Com isso, foi identificado que um espaçamento mínimo entre dutos de 1 m pode ser adotado. Assim, mantendo constantes o diâmetro e o comprimento do duto da Instalação Referência, foram propostas vinte e seis instalações com configuração geométrica complexa para o TCSA. Essas instalações foram elaboradas visando a redução do volume de solo necessário para o funcionamento do TCSA, com a intenção de mostrar a aplicabilidade deste dispositivo em zonas urbanas. As simulações numéricas foram realizadas nos softwares GAMBIT e FLUENT (baseado no Método dos Volumes Finitos) empregando um modelo computacional tridimensional verificado e validado. Uma comparação de desempenho do TCSA entre todas as instalações com geometria complexa e a Instalação Referência foi feita, tendo como parâmetros o potencial térmico, o volume do solo e a perda de carga. Foi possível concluir que a Instalação 1 é a que possui melhor desempenho, pois apresenta uma diminuição de 2,18% no potencial térmico e um aumento de 5,37% na perda de carga com uma redução de 36,75% na porção de solo se comparada à Instalação Referência, viabilizando sua utilização em regiões urbanas.
- ItemModelagem Computacional de trocadores de calor solo-ar comparando diferentes modelagens para turbulência(2015) Ferraz, Juliane Gabina; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio AndréA radiação solar é uma fonte de energia renovável e sua energia térmica pode ser aproveitada através da utilização de trocadores de calor solo-ar (TCSA) em ambientes construídos, podendo ser uma alternativa para reduzir o consumo de energia elétrica. Estes dispositivos consistem em dutos enterrados no solo, onde ocorre o escoamento forçado do ar ambiente. O ar é resfriado/aquecido pelo solo nos períodos quente/frio podendo ser utilizado para melhorar a condição térmica de ambientes construídos. Para simular numericamente o comportamento térmico de um TCSA é necessário empregar alguma modelagem para turbulência. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo comparar diferentes modelos de turbulência no âmbito da modelagem clássica da turbulência (URANS) e a simulação de grandes escalas (LES), bem como, diferentes discretizações espaciais no estudo do princípio físico de funcionamento de um TCSA com um duto retilíneo. Foram utilizados neste trabalho para a modelagem URANS os modelos RSM (Reynolds Stress Model), k- e k- padrão e Spalart Allmaras e para modelagem LES o modelo submalha dinâmico de Smagorinsky. Assim, busca-se propor recomendações sobre qual ou quais modelos de turbulência e discretizações espaciais são mais adequados para esse tipo de aplicação. A modelagem computacional foi realizada através do software FLUENT que é baseado no método dos volumes finitos (MVF). Os resultados numéricos obtidos com os modelos URANS e LES reproduziram os resultados numéricos e experimentais da literatura. Na abordagem LES houve melhora dos resultados do potencial térmico em relação aos obtidos experimentalmente, quando simulado com malhas hexaédricas mais refinadas no duto, o que não ocorreu com os modelos URANS. A partir dos resultados desse estudo é possível dizer que o emprego do LES com malhas adequadamente discretizadas pode ser empregado como uma solução "benchmark" para casos onde não se tenham dados experimentais. Contudo, essa abordagem, para projetos térmicos de TCSA, implica em elevado esforço computacional. O emprego de diferentes abordagens para a turbulência não conduziu a resultados diferentes quando malhas tetraédricas foram empregadas, indicando que a malha possui uma influência maior nas simulações com LES do que com URANS.
- ItemModelagem computacional aplicada à melhoria do desempenho térmico de trocador de calor Solo-Ar através do Método Constructal Design(2014) Rodrigues, Michel Kepes; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dosO trocador de calor solo-ar é um dispositivo utilizado à melhoria da condição térmica de ambientes construídos. O mesmo contribui à diminuição no consumo de energia elétrica dos equipamentos tradicionais de condicionamento de ar. O princípio de funcionamento consiste em dutos que são enterrados nas camadas superficiais do solo. Essas camadas são expostas permanentemente à radiação solar. Consequentemente, o ar que é forçado a escoar no interior do duto, trocando calor com o solo. Dessa forma, seu princípio operacional é baseado na mecânica dos fluidos e na transferência de calor, áreas nas quais o método Constructal Design tem sido empregado com sucesso na busca de desempenhos superiores para os sistemas de engenharia. Contudo, não existem pesquisas aplicando o método Constructal Design à melhoria do desempenho de trocadores de calor solo-ar. Portanto, o objetivo deste trabalho é, através da modelagem computacional, aplicar o método Constructal Design para diferentes configurações de trocadores de calor solo-ar, visando maximizar o seu potencial térmico. Essa maximização é alcançada quando se encontra a geometria ótima, isto é, aquela que maximiza a transferência de calor entre o solo e o ar. Para tanto, foi utilizado o software GAMBIT para as construções geométricas, bem como para discretização do domínio computacional. Também foi utilizado o software FLUENT, baseado no Método dos Volumes Finitos, onde um modelo computacional, verificado e validado, foi implementado para investigar cinco diferentes configurações geométricas de instalações de trocadores de calor solo-ar. Entre outras conclusões, uma contribuição importante indica que, o aumento na quantidade de dutos, aliado com a diminuição de seus respectivos diâmetros, para uma determinada vazão mássica, conduz a uma melhoria significativa no desempenho térmico do trocador de calor solo-ar. Também foi constatado que a aplicação do método Constructal Design em projetos de instalações de trocador de calor solo-ar implica em um desempenho térmico significativamente maior, quando comparado com instalações constituídas com geometrias não otimizadas.
- 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).
- ItemModelagem comutacional e método design construtal aplicados a trocadores de calor solo-ar com geometria em T(2019) Rodrigues, Gerusa Camargo; Isoldi, Liércio André; Estrada, Emanuel da Silva DiazO Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo constituído por um ou mais dutos enterrados no solo, por onde o ar é forçado a escoar. No processo de troca de calor entre o ar e o solo, o ar sai do TCSA com uma temperatura mais amena em relação à sua temperatura de entrada, podendo ser utilizado para a melhoria da condição térmica de edificações. A partir de um TCSA com duto reto (uma entrada e uma saída) adotado como referência, diferentes configurações geométricas de um TCSA com formato T (uma entrada e duas saídas) foram propostas através do método Design Construtal. O objetivo deste trabalho é aliar a modelagem computacional ao método Design Construtal visando a minimização do volume de solo ocupado pelas instalações de TCSA, a maximização do seu potencial térmico e a minimização da perda de carga do escoamento. Os graus de liberdade considerados relacionam o comprimento do ramo bifurcado com o comprimento do ramo principal (L1/L0) e o diâmetros desses ramos (D1/D0). Simulações numéricas realizadas no software FLUENT, baseado no Método dos Volumes Finitos (MVF), permitiram avaliar o potencial térmico do TCSA, enquanto a perda de carga e o volume de solo foram determinados analiticamente. Com o auxílio do método da Busca Exaustiva, os resultados de todas as configurações geométricas foram comparados entre si, de modo a realizar uma otimização geométrica. Os resultados indicaram que à medida que a razão D1/D0 aumenta (casos em que D1>D0) e com L0>L1 o potencial térmico é maximizado. Deste modo, a instalação definida por razões (D1/D0)o=1,5 e (L1/L0)oo=0,5 maximiza o potencial térmico em aproximadamente 21% se comparado à Instalação Referência. A instalação definida por razões (D1/D0)o=0,5 e (L1/L0)oo=7,0 minimiza o volume de solo ocupado em, aproximadamente, 23%. No entanto, há baixa influência do grau de liberdade D1/D0. A perda de carga do escoamento é reduzida em torno de 67% pela instalação definida por (D1/D0)o=1,25 e (L1/L0)oo=7,0. Além disso, a perda de carga só é minimizada nos casos em que a velocidade do escoamento se divide pela metade ou diminui após a bifurcação dos dutos, ou seja, casos em que D0=D1 ou D1>D0. Ao considerar os três parâmetros simultaneamente, a instalação definida por D1/D0=1,5 e L1/L0=7,0 apresenta melhor desempenho.
- ItemConversor de energia das ondas em energia elétrica com dispositivo de coluna de água oscilante: simulação numérica e estudo geométrico(2013) Grimmler, Juliana do Amaral Martins; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rocha, Luiz Alberto OliveiraOs oceanos representam um dos maiores recursos naturais, possuindo expressivo potencial energético, podendo suprir parte da demanda energética mundial. Nas últimas décadas, alguns dispositivos destinados à conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica têm sido estudados. No presente trabalho, o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante, do inglês Oscillating Water Colum, (OWC) foi analisado numericamente. As ondas incidentes na câmara hidro-pneumática da OWC, causam um movimento alternado da coluna de água no interior da câmara, o qual produz um fluxo alternado de ar que passa pela chaminé. O ar passa e aciona uma turbina a qual transmite energia para um gerador elétrico. O objetivo do presente estudo foi investigar a influência de diferentes formas geométricas da câmara sobre o fluxo resultante de ar que passa pela turbina, que influencia no desempenho do dispositivo. Para isso, geometrias diferentes para o conversor foram analisadas empregando modelos computacionais 2D e 3D. Um modelo computacional desenvolvido nos softwares GAMBIT e FLUENT foi utilizado, em que o conversor OWC foi acoplado a um tanque de ondas. O método Volume of Fluid (VOF) e a teoria de 2ª ordem Stokes foram utilizados para gerar ondas regulares, permitindo uma interação mais realista entre o conversor, água, ar e OWC. O Método dos Volumes Finitos (MVF) foi utilizado para a discretização das equações governantes. Neste trabalho o Contructal Design (baseado na Teoria Constructal) foi aplicado pela primeira vez em estudos numéricos tridimensionais de OWC para fim de encontrar uma geometria que mais favorece o desempenho do dispositivo. A função objetivo foi a maximização da vazão mássica de ar que passa através da chaminé do dispositivo OWC, analisado através do método mínimos quadrados, do inglês Root Mean Square (RMS). Os resultados indicaram que a forma geométrica da câmara influencia na transformação da energia das ondas em energia elétrica. As geometrias das câmaras analisadas que apresentaram maior área da face de incidência das ondas (sendo altura constante), apresentaram também maior desempenho do conversor OWC. A melhor geometria, entre os casos desse estudo, ofereceu um ganho no desempenho do dispositivo em torno de 30% maior.