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

Processo: 21/02340-0
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Doutorado
Vigência (Início): 01 de junho de 2021
Vigência (Término): 31 de janeiro de 2024
Área do 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

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)

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