Modelos computacionais de mancais operando em condições extremas para estimativa de suas características de desempenho

• Processo: 25/12004-8
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de junho de 2026
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
• Pesquisador responsável: Thales Freitas Peixoto
• Beneficiário: Nicolas Maiochi
• Instituição Sede: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 23/11872-0 - Modelos computacionais de mancais operando em condições extremas para estimativa de suas características de desempenho, AP.R
• Assunto(s): Análise numérica Método dos volumes finitos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Análise Numérica | Equação de Reynolds | Mancal Hidrodinâmico | Mancal radial cilíndrico | Método dos volumes finitos | Lubrificação hidrodinâmica

Resumo

Desde a Revolução Industrial (1760-1820), 2040 giga toneladas de dióxido de carbono foram emitidos a atmosfera, devido à queima de combustíveis fósseis, aumentando em 1,09 °C a temperatura média mundial acima dos níveis pré-industriais. Aproximadamente 20% da energia consumida mundialmente é usada para superar o atrito e até 40% dessa energia perdida pode ser aproveitada com novas tecnologias de lubrificação. A energia perdida devido ao cisalhamento viscoso em óleos minerais e sintéticos usados como lubrificante que separam duas superfícies em contato ainda é a maior causa que limita a eficiência de sistemas mecânicos. Nesse cenário, sistemas rotativos com aplicações em diferentes setores industriais representam uma classe de maquinário com ampla aplicação, compreendendo turbinas, compressores, bombas e geradores. Particularmente no setor de energia, o desempenho é de fundamental importância e as perdas por atrito devem ser minimizadas para garantir o desempenho ótimo. A necessidade de prever satisfatoriamente as condições de operação exige a correta estimativa dos coeficientes dinâmicos equivalentes dos mancais, que devem ser avaliados na posição de equilíbrio do sistema rotativo. O problema de busca de raízes ocorre no modelo de todos os mancais lubrificados, pois é necessário estimar a distribuição de pressão do mancal na sua posição de equilíbrio estático, ou para pequenas perturbações de deslocamento e/ou velocidade em torno dessa posição de equilíbrio, sendo mandatório encontrar durante o processo de cálculo do campo de pressão a posição de equilíbrio do mancal. O problema pode ser formalmente definido como um problema de busca de raízes, no qual é necessário encontrar a posição de equilíbrio do eixo no mancal, de forma a balancear as forças estáticas externas atuando no eixo com as forças hidrodinâmicas resultantes do filme de óleo sustentando o eixo. Assim, durante este projeto de iniciação científica, serão estudados diferentes métodos e algoritmos para solução de sistemas de equações não lineares, comparando os métodos em termos de robustez (isto é, convergência para solução do sistema, para diferentes condições iniciais), taxa de convergência (número de iterações) e tempo computacional. O algoritmo básico, amplamente utilizado, é o método de Newton. Nesse método, a matriz Jacobiana é estimada numericamente a partir de diferenças finitas, o que pode aumentar expressivamente o tempo computacional gasto na busca da posição de equilíbrio, uma vez que cada perturbação requer a solução da equação de Reynolds, em função da posição perturbada. Métodos de Newton modificados tentam reduzir o custo computacional diminuindo o número de chamadas da função, propondo alternativas para estimativa da matriz Jacobiana. Outra estratégia consiste em utilizar métodos de otimização para encontrar a solução dos sistemas de equações, uma vez que os problemas podem ser equivalentes. Uma terceira classe de métodos utiliza homotopia, reduzindo o problema de busca de raízes a resolver um sistema de equações diferenciais ordinárias, que pode ser integrado numericamente, usando os próprios integradores básicos de marcha no tempo explícitos.