Otimização topológica de selos labirintos considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura com variáveis binárias

• Processo: 21/02340-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2021
• Data de Término da vigência: 31 de janeiro de 2024
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: Eduardo Moscatelli de Souza
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 14/50279-4 - Brasil Research Centre for Gas Innovation, AP.PCPE
• Assunto(s): Otimização topológica Turbulência Interação fluido-estrutura
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Escoamento turbulento | interação fluido-estrutura | otimização topológica | Selos Labirintos | Otimização de projeto

Resumo

Este trabalho está inserido no projeto ""Projeto de selos labirintos inteligentes para mitigação de emissões de GEE em máquinas pneumáticas (compressores e turbinas)"" que é desenvolvido no Research Centre for Gas Innovation (RCGI) no projeto FAPESP número 2014/50279-4. Selos labirintos são dispositivos mecânicos usados para vedar turbo máquinas em aplicações como compressores de metano (CH4) e de dióxido de carbono (CO2). Portanto, a otimização de selos labirintos é crucial para controlar o aumento de temperatura da atmosfera, porque o CH4 e o CO2 são Gases do Efeito Estufa (GEE). Neste contexto, o objetivo desse trabalho é desenvolver formulações de otimização topológica considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura (FSI) com variáveis binárias e aplicar essas formulações principalmente para projetar selos labirintos mais eficientes. Outros problemas como o projeto de bombas e diodos fluidos também serão explorados para demonstrar a relevância científica e tecnológica das formulações desenvolvidas. Para obter selos labirintos inteligentes, a ideia é combinar os conceitos de selo labirinto e selo inflável que são selos que se deformam quando pressurizados e ajustam a folga entre as partes montadas. Para este fim, a modelagem do sólido deve considerar grandes deformações para representar o movimento do selo e a modelagem do fluido deve considerar turbulência porque a dissipação turbulenta desempenha um papel importante em selos labirintos. Como grandes deslocamentos são considerados, a interação fluido-estrutura monolítica será aplicada e tanto o domínio sólido quanto o fluido serão otimizados. A abordagem TOBS (do inglês, Topology Optimization of Binary Structures) é empregada porque ela trabalha com variáveis binárias que permitem uma definição clara da interface do fluido com o sólido. O Método dos Elementos Finitos (FEM) é usado para resolver as equações de equilíbrio. A análise de sensibilidades é feita com o uso de diferenciação automática. O problema de otimização é resolvido com o otimizador CPLEX. As contribuições esperadas deste trabalho são novas formulações de otimização topológica considerando escoamento turbulento, FSI e grandes deslocamentos que possam ser aplicadas ao projeto de selos labirintos. O resultado desejado é melhorar o desempenho de selos labirintos aplicados em turbo máquinas para reduzir a emissão de GEE. (AU)

Publicações científicas

(4)

(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)

MOSCATELLI, EDUARDO; ALONSO, DIEGO HAYASHI; NOGUEIRA DE SA, LUIS FERNANDO; PICELLI, RENATO; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Topology optimisation for rotor-stator fluid flow devices. STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION, v. 65, n. 5, p. 23-pg., 2022-05-01. (14/50279-4, 19/01685-3, 18/05797-8, 21/02340-0, 13/24434-0, 17/27049-0, 20/15230-5)

MOSCATELLI, EDUARDO; DE SA, LUIS FERNANDO NOGUEIRA; RANJBARZADEH, SHAHIN; PICELLI, RENATO; GIORIA, RAFAEL DOS SANTOS; SILVA, EMILIO CARLOS NELLI. Hybrid geometry trimming algorithm based on Integer Linear Programming for fluid flow topology optimization. COMPUTERS & FLUIDS, v. 244, p. 14-pg., 2022-06-30. (14/50279-4, 19/01685-3, 18/05797-8, 18/11474-7, 21/02340-0, 13/24434-0, 20/15230-5)

MAFFEI, FELIPE SILVA; NOGUEIRA DE SA, LUIS FERNANDO; MOSCATELLI, EDUARDO; PICELLI, RENATO; MENEGHINI, JULIO ROMANO; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. Integer programming topology optimization for subsonic compressible flows with geometry trimming. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, v. 201, p. 13-pg., 2023-02-01. (21/02340-0, 18/05797-8, 20/15230-5, 14/50279-4)

MOSCATELLIA, EDUARDO; SA, LUIS F. N.; EMMENDOERFER JR, HELIO; SILVAA, EMILIO C. N.. Pure-displacement formulation and bulk modulus propagation for topology optimization with pressure loads. COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING, v. 411, p. 23-pg., 2023-06-01. (14/50279-4, 20/15230-5, 21/02340-0, 22/14475-0)

Publicações acadêmicas

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

SOUZA, Eduardo Moscatelli de. Otimização topológica para o projeto de selos labirinto considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura com variáveis discretas e contínuas.. 2024. Tese de Doutorado - Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC) São Paulo.