Método de otimização topológica aplicado ao projeto de máquinas de fluxo considerando escoamento bifásico

• Processo: 25/06223-9
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2026
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Fenômenos de Transportes
• Acordo de Cooperação: BG E&P Brasil (Grupo Shell)
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: Thomaz Garcia Faccioli
• Instituição Sede: Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa. Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Empresa: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP)
• Vinculado ao auxílio: 20/15230-5 - Centro de Pesquisa e Inovação de Gases de Efeito Estufa - RCG2I, AP.PCPE
• Assunto(s): Projeto mecânico Otimização topológica Dinâmica dos fluidos computacional Escoamento bifásico Máquinas de fluxo
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: bifásico | Dinâmica dos Fluidos Computacional | Máquinas de Fluxo | otimização topológica | Otimização Topológica

Resumo

Este trabalho compreende o desenvolvimento de uma metodologia de Otimização Topológica (OT) para o projeto de máquinas de fluxo considerando escoamento bifásico. Em específico, é estudada a otimização de bombas admitindo o escoamento de bolhas dispersas no fluido líquido. Em várias aplicações de máquinas de fluxo, é comum a presença de bolhas no escoamento admitido pela máquina, o que pode afetar significativamente o desempenho desses equipamentos. A OT é a estratégia mais versátil dentre as abordagens de otimização, pois ela permite a adição e remoção de material em qualquer parte do domínio computacional. No contexto de projeto de máquinas de fluxo, a vantagem do uso de OT destaca-se na criação de splitters e geometrias de palhetas não convencionais geradas pelo otimizador. O escoamento polidisperso é analisado por meio de dinâmica de fluidos computacional com a abordagem Euler-Euler e a equação de balanço populacional. O modelo multifásico aplicado foi escolhido tendo em vista a viabilidade do cálculo da sensibilidade para OT e a capacidade de capturar a dinâmica do escoamento de líquido com bolhas no interior de máquinas de fluxo. As equações que descrevem o escoamento bifásico no conjunto rotor-estator são resolvidas por meio da formulação com múltiplos sistemas de referência. Além disso, o modelo de turbulência de Wray-Agarwal é utilizado, admitindo-se escoamento incompressível e em regime permanente. Os objetivos da otimização são: minimização da dissipação de energia relativa, maximização da elevação de pressão e minimização da potência consumida. O modelo de material a ser usado na otimização topológica é baseado no "método de densidade". A implementação será feita na plataforma open source FEniCS, utilizando o método adjunto de cálculo de derivadas e algoritmo de otimização de ponto interior. Este trabalho se insere no auxílio à pesquisa FAPESP - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia "Centro de Pesquisa e Inovação de Gases de Efeito Estufa - RCGI", no. 2020/15230-5 (05/2021 a 04/2026). (AU)