Método de Otimização Topológica Aplicado ao Projeto de Rotores e Voluta de Dispositivos de Auxílio Ventricular

• Processo: 16/19261-7
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de fevereiro de 2017
• Data de Término da vigência: 31 de agosto de 2019
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: Luís Fernando Nogueira de Sá
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 13/24434-0 - Sistemas propulsores eletromagnéticos para coração artificial implantável e dispositivos de suporte circulatório mecânico, AP.TEM
• Assunto(s): Máquinas de fluxo Otimização topológica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Bomba de auxílio ventricular (DAVs) | Máquinas de Fluxo | otimização topológica | Projeto de rotores | Projeto de voluta | Otimização Topológica

Resumo

Este trabalho se insere no escopo do projeto temático Sistemas Propulsores Eletromagnéticos para Coração Artificial Implantável e Dispositivos de Suporte Circulatório Mecânico, número Fapesp 2013/24434-0. Uma das linhas de pesquisa deste projeto temático são dispositivos de auxílio ventricular (DAV), interpretado aqui como uma máquina de fluxo radial (bomba) de pequena escala para fluido não-newtoniano. O projeto de DAV tem como requisito um baixo consumo energético e uma baixa tensão de cisalhamento a fim de evitar a morte de hemácias. Esse objetivo depende da topologia do rotor e voluta do DAV. Assim, os projetos do rotor e voluta podem ser obtidos utilizando o método de otimização topológica (MOT), que não somente possibilita a obtenção de rotores e volutas inovadores que atendam a requisitos multi-objetivo como também diminui o tempo de desenvolvimento desses dispositivos. Assim, este trabalho visa o projeto otimizado do rotor e voluta de DAV radial, baseado no método de otimização topológica. A solução das equações constitutivas será feita utilizando o método de elementos finitos para a modelagem do escoamento de sangue (fluido não-newtoniano) em um referencial rotativo no caso do rotor e fixo no caso da voluta. É modelado o escoamento fluido em meio poroso utilizando a equação de Brinkman. A montagem do problema de otimização apresenta uma função multi-objetivo visando minimizar a perda de carga causada pela dissipação viscosa, minimizar o torque de acionamento, minimizar a vorticidade de modo a diminuir a coagulação do sangue e minimizar a taxa de hemólise. Para o modelo de material será utilizado o método das densidades para a otimização. A implementação dos algoritmos será realizada utilizando-se o ambiente FEniCS. O problema de otimização será resolvido utilizando o algoritmo PyIpopt. As topologias resultantes serão construídas utilizando-se impressão 3D e os protótipos serão caracterizados experimentalmente medindo-se a vazão e a pressão geradas. Testes de hemólise serão realizados em parceria com o Instituto Dante Pazzanese, que participa do projeto temático. Os resultados a serem apresentados serão projetos de rotores e estatores bidimensionais de máquinas de fluxo e também resultados experimentais comparando o desempenho dos protótipos.

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

SA, L. F. N.; NOVOTNY, A. A.; ROMERO, J. S.; SILVA, E. C. N.. Design optimization of laminar flow machine rotors based on the topological derivative concept. STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION, v. 56, n. 5, p. 1013-1026, NOV 2017. (13/24434-0, 14/50279-4, 15/15189-7, 16/19261-7)

ALONSO, DIEGO HAYASHI; NOGUEIRA DE SA, LUIS FERNANDO; ROMERO SAENZ, JUAN SERGIO; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Topology optimization based on a two-dimensional swirl flow model of Tesla-type pump devices. COMPUTERS & MATHEMATICS WITH APPLICATIONS, v. 77, n. 9, p. 2499-2533, MAY 1 2019. (14/50279-4, 17/27049-0, 16/19261-7, 13/24434-0)

SA, LUIS F. N.; YAMABE, PAULO V. M.; SOUZA, BRUNO C.; SILVA, EMILIO C. N.. Topology optimization of turbulent rotating flows using Spalart-Allmaras model. COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING, v. 373, JAN 1 2021. (16/19261-7, 13/24434-0, 14/50279-4)

SA, L. F. N.; ROMERO, J. S.; HORIKAWA, O.; SILVA, E. C. N.. Topology optimization applied to the development of small scale pump. STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION, v. 57, n. 5, SI, p. 2045-2059, MAY 2018. (13/24434-0, 14/50279-4, 16/19261-7)

ALONSO, DIEGO HAYASHI; NOGUEIRA DE SA, LUIS FERNANDO; ROMERO SAENZ, JUAN SERGIO; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Topology optimization applied to the design of 2D swirl flow devices. STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION, v. 58, n. 6, p. 2341-2364, DEC 2018. (13/24434-0, 17/27049-0, 14/50279-4, 16/19261-7)

SA, L. F. N.; ROMERO, J. S.; HORIKAWA, O.; SILVA, E. C. N.. Topology optimization applied to the development of small scale pump. STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION, v. 57, n. 5, p. 15-pg., 2018-05-01. (13/24434-0, 16/19261-7, 14/50279-4)

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

SÁ, Luís Fernando Nogueira de. Método de otimização topológica aplicado ao projeto de rotores e volutas de dispositivos de auxílio ventricular.. 2019. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC) São Paulo.