EE- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica
URI permanente desta comunidadehttps://rihomolog.furg.br/handle/1/3206
Navegar
10 resultados
Resultados da Pesquisa
- ItemAnálise geométrica e numérica da transferência de calor por convecção forçada de escoamentos turbulentos em um trocador de calor de micro canal(2023) El Halal, Youssef Bandeira; Santos, Elizaldo Domingues dos; Teixeira, Filipe BrancoO presente trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, permanente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada ao longo de um micro canal com paredes com corrugações em formato trapezoidal. A geometria do domínio é avaliada com o método Design Construtal. São aplicadas duas restrições, a área do micro canal e a área do trapézio da corrugação a montante do canal. A partir disso, são avaliados dois graus de liberdade: a razão entre a base menor e a base maior do trapézio da corrugação a montante do canal (LA2/LA1) e a razão entre a altura do trapézio e sua base maior (H1/LA1). Todos os casos são simulados para escoamentos convectivos com números de Reynolds e Prandtl iguais a ReD = 22.000 e Pr = 0,71. As equações temporais médias de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas através do Método dos Volumes Finitos implementado no software Ansys Fluent com modelo de turbulência RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e fechamento da turbulência utilizando o modelo kω - SST (Shear Stress Transport). O estudo tem por objetivo avaliar o efeito da geometria das corrugações sobre a taxa de transferência de calor e a perda de carga através do micro canal. Através do estudo foi possível encontrar a razão H1/LA1 a qual gera uma melhora de 26,2% na taxa de transferência de calor quando comparado ao pior caso para uma mesma razão LA2/LA1. Além disso, os resultados indicaram que, as maiores inserções da corrugação trapezoildal inferior conduziram a um melhor desempenho térmico do trocador, enquanto a corrugação superior possui pouca contribuição para a troca térmica. Do ponto de vista fluidodinâmico, as menores inserções na direção normal ao escoamento conduziram a menores perdas de carga, como intuitivamente esperado.
- 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 de um escoamento turbulento com convecção forçada incidindo sobre um arranjo triangular de corpos rombudos(2017) Teixeira, Filipe Branco; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio AndréEste trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, transiente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada que incide sobre um arranjo triangular de corpos rombudos quadrados de aresta D. A geometria do problema é avaliada com o método Design Construtal. O problema possui duas restrições, a primeira dada pela soma das áreas dos corpos rombudos e a segunda referente à área de ocupação máxima do arranjo, que neste caso é 6D × 6D, além de dois graus de liberdade: SL/D (razão da distância longitudinal entre o centro do corpo rombudo frontal e o centro dos corpos rombudos posteriores, e a dimensão de suas arestas) e ST/D (razão da distância transversal entre o centro dos corpos rombudos posteriores e a dimensão de suas arestas). Em todas as simulações serão considerados números de Reynolds e Prandtl iguais à ReD = 22.000 e Pr = 0,71 respectivamente. As equações temporais médias de conservação da massa, quantidade de movimento e energia são solucionadas através do Método dos Volumes Finitos, pelo software de CFD Ansys® Fluent® e a turbulência é resolvida através da modelagem clássica da turbulência (RANS - Reynolds Averaged Navier-Stokes) com fechamento através do modelo SST -k-w. O objetivo do estudo é avaliar como a variação da geometria influencia o coeficiente de arrasto (CD) e o número de Nusselt (NuD) entre os corpos rombudos e o escoamento circundante. Também se avalia o coeficiente de sustentação (CL) e o número de Strouhal (St) para análise do desprendimento de vórtices no escoamento. Foi realizada uma avaliação da modelagem matemática e um estudo de estratégias de geração de malha capaz de validar/verificar o modelo numérico. Observou-se que o estudo da turbulência, mesmo de forma bidimensional, com a modelagem SST - k-w, é capaz de representar os fenômenos associados ao problema proposto de forma consistente, desde que um grande refinamento local nas regiões de parede seja implementado. Uma malha não estruturada com refinamento local totalmente estruturado foi utilizada para verificar/validar parâmetros médios em um escoamento turbulento com convecção forçada sobre um corpo rombudo. A comparação com a literatura para CD, NuD e St médios no espaço e tempo quando o escoamento atinge um regime estabilizado apresentaram desvios tão baixos quanto 0,43%, 0,79% e 0,56% respectivamente. Na avaliação geométrica do arranjo, constatou-se que o melhor caso fluidodinâmico reduziu o CD em até 73,5% comparado ao pior caso, já no estudo térmico, o caso ótimo aumentou o NuD em 29,0%. Devido a isto, a análise multiobjetivo apontou para SL/D = 5,0 e ST/D = 2,0 como as razões ótimas do arranjo, coincidindo com o caso ótimo para o objetivo fluidodinâmico.
- 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 design construtal aplicados à flambagem biaxial de placas de material compósito utilizadas em estruturas navais(2016) Silveira, Thiago da; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dosA flambagem elástica é um fenômeno de instabilidade estrutural indesejado para um projeto de engenharia. Na engenharia naval, placas delgadas utilizadas nas estruturas de navios e plataformas podem sofrer com esse fenômeno. Através da aplicação de carregamentos compressivos, a estrutura pode curvar-se repentinamente no sentido transversal, ou seja, fora do plano da placa. Para tal, o carregamento deve ser superior à carga crítica de flambagem da estrutura. O uso de materiais compósitos em meio oceânico é uma tecnologia relativamente atual e que pode trazer muitos benefícios a médio e longo prazo, visto que estes materiais não sofrem com a degradação através de corrosão marinha e estruturas de material compósito em geral são mais leves do que estruturas de aço, o que pode gerar um ganho na capacidade de carga e armazenagem das embarcações. A flambagem de placas laminadas ortotrópicas ainda é uma área a ser pesquisada, especialmente quando as placas possuem perfurações. Perfurações em placas utilizadas em aplicações navais e oceânicas se fazem necessárias para instalação de vigias, passagem de cabos e tubulações, janelas de visita e inspeção, escotilhas e afins. Em busca de uma otimização estrutural de placas laminadas compósitas, fazendo com que as perfurações afetem o mínimo possível o comportamento mecânico da estrutura, o Design Construtal pode ser aplicado. Este método é baseado em elementos da natureza e possibilita encontrar a ótima distribuição das imperfeições se associado a problemas da mecânica dos sólidos como o de placas delgadas perfuradas. Aplicando diferentes laminações foi possível encontrar um aumento da carga crítica de flambagem para uma placa compósita, com laminação simétrica e sem perfurações, de até 10,47%. Esta condição é encontrada quando o esquema de laminação obedece (45o/45o)3s ou (- 45o/45o)3s. No entanto a aplicação de furos reduz a carga crítica de flambagem, podendo a melhor carga crítica obtida para a placa com furo atendendo à fração volumétrica do furo Ø = 0,25 ficar até 35,22% menor do que para uma placa sem furo. Para uma fração volumétrica Ø = 0,05, a carga crítica é melhor, representando uma redução de 18,56% em relação à placa sem furo. Percebeu-se que quanto maior a fração volumétrica do furo, maior seu efeito redutor sobre a carga crítica de flambagem.
- 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.
- ItemDesign construtal de um dispositivo de galgamento onshore em escala real para diferentes áreas de construção e ondas monocromáticas(2016) Martins, Jaifer Corrêa; Santos, Elizaldo Domingues dos; Isoldi, Liércio AndréDispositivos de conversão de energia das ondas em energia elétrica (WEC – do inglês: Wave Energy Converter) vêm sendo estudados nas últimas décadas como uma alternativa para suprir a demanda energética mundial. O dispositivo de galgamento é um dos diversos conversores de energia das ondas do mar em energia elétrica e seu princípio de funcionamento consiste em uma rampa que guia a água das ondas incidentes para um reservatório localizado acima do nível médio do mar. A água acumulada no reservatório escoa através de uma turbina de baixa queda gerando energia elétrica. No presente trabalho é realizado um estudo numérico relacionado ao efeito da geometria da rampa (razão entre a altura e comprimento da rampa: H1/L1) e a submersão (S) da mesma sobre o desempenho de um dispositivo de galgamento onshore em escala real para duas ondas monocromáticas diferentes e três diferentes áreas construtivas (ϕ) do dispositivo, empregando o Design Construtal e a Busca Exaustiva. Mais especificamente, pretende-se avaliar a influência da razão entre altura e comprimento da rampa (H1/L1) que maximiza a potência disponível (Pd) obtida a partir da quantidade total de massa de água acumulada no reservatório para diferentes frações de área (ϕ), várias distâncias entre o fundo do dispositivo e o fundo do tanque (S) e diferentes ondas monocromáticas (T), com a finalidade de se determinar a geometria ótima do dispositivo. Neste trabalho, é avaliado apenas o princípio físico de funcionamento do dispositivo. Consequentemente, as geometrias ótimas obtidas aqui servem como uma recomendação teórica para futuros estudos e construções desse tipo de conversor de energia das ondas. Neste estudo, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e uma equação para o transporte da fração volumétrica são resolvidas com o método dos volumes finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é empregado para abordar a mistura água e ar. O emprego do Design Construtal permitiu um aumento no desempenho fluidodinâmico do dispositivo para todos os casos simulados. Os resultados mostraram que as melhores geometrias são obtidas para as menores razões de H1/L1 para todas as profundidades. Estes indicaram ainda que o efeito da razão H1/L1 sobre Pd foi semelhante para dois diferentes períodos de onda T. Além disso, conforme esperado, a diminuição do período (T) conduziu a uma diminuição da potência disponível (Pd).
- ItemInfluência da convecção mista sobre a otimização geométrica de um arranjo triangular de cilindros em escoamentos laminares(2015) Barros, Gabriel Moraes; Santos, Elizaldo Domingues dos; Rocha, Luiz Alberto OliveiraO presente estudo numérico consiste em avaliar a forma geométrica de um arranjo triangular de cilindros submetidos a escoamentos transientes, bi-dimensionais, incompressíveis, laminares e com convecção mista por meios do Design Construtal, além do efeito do número de Richardson sobre o escoamento. A forma do arranjo foi escolhida, a fim de simular os arranjos escalonados de cilindros presentes em equipamentos térmicos comuns a embarcações, procurando-se diminuir o peso e custo dos equipamentos a bordo. As simulações foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl, de 100 e 0,71, respectivamente, avaliando-se três diferentes números de Richardson: Ri = 0,1; 1,0 e 10,0. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas com o uso do método de volumes finitos (MVF). A área ocupada pelos cilindros é uma restrição geométrica do problema e os cilindros têm o mesmo diâmetro. O principal objetivo é avaliar a influência do Ri sobre o coeficiente de arrasto (CD) e o número de Nusselt (NuD) entre os cilindros e o escoamento circundante, bem como obter as geometrias ótimas do problema multiobjetivo (fluidodinâmico e térmico). Foram simulados casos com a razão SL/D = 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 e 5,0 (passo longitudinal sobre o diâmetro) e os mesmos valores foram usados para a razão ST/D (passo transversal sobre o diâmetro). Os resultados mostraram que o aumento do número de Richardson levou a um crescimento das magnitudes do coeficiente de arrasto (CD) e número de Nusselt (NuD). Além disso, houve uma mudança significativa no comportamento das camadas limites térmicas e de velocidades com o aumento Ri que alterou o efeito da razão ST/D e SL/D em CD e NuD. Foram apresentados os resultados ótimos para os valores de Ri = 0,1; 1,0 e 10,0, além de comentários sobre as diferenças de comportamento dos escoamentos. Não há um comportamento ótimo universal para o escoamento, já que a geometria se adapta ao mecanismo motriz aplicado ao arranjo de cilindros.