Topology optimisation for rotor-stator fluid flow devices

Autor(es)

Moscatelli, Eduardo ; Alonso, Diego Hayashi ; Nogueira de Sa, Luis Fernando ; Picelli, Renato ; Nelli Silva, Emilio Carlos

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION; v. 65, n. 5, p. 23-pg., 2022-05-01.

Resumo

Multi-component devices such as flow machines, heat exchangers, and electric motors present parts with different physical properties and operating in different states. Optimisation algorithms may improve the performance of these devices, and the simultaneous optimisation of a set of parts may harness the interaction of these parts to generate improved designs. Particularly, rotating flow devices such as pumps and turbines present rotating and stationary components. If a description of the fluid flow between the rotating and stationary parts is desired, it is necessary to model solid at different velocities. However, the standard topology optimisation formulation for fluid flow problems considers only a single stationary solid or a single rotating solid in a rotating reference frame. Thus, this work proposes a topology optimisation formulation capable of solving fluid flow problems with different solid velocities. The idea is to add mutually exclusive Darcy terms to the linear momentum equation. Each Darcy term models a different rotation and only one term may be active at each element. The method uses two discrete design variable fields. The moving limits of the optimisation algorithm are adjusted to handle the two discrete design variable fields, and extra constraints are added to ensure proper phase transitions. The algorithm is applied to two design problems: a Tesla pump and a labyrinth seal. The governing equations are solved by the Finite Element Method, and the optimisation is solved by an approach based on the Topology Optimisation of Binary Structures (TOBS) algorithm, with each linearized subproblem being solved through integer linear programming with a branch-and-bound algorithm. (AU)

• Processo FAPESP: 14/50279-4 - Brasil Research Centre for Gas Innovation
• Beneficiário: Julio Romano Meneghini
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 19/01685-3 - Abordando Desafios de Projeto de Estruturas Offshore Através de Otimização Topológica Multifísica
• Beneficiário: Renato Picelli Sanches
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Jovens Pesquisadores
• Processo FAPESP: 18/05797-8 - Abordando desafios de projeto de estruturas offshore através de otimização topológica multifísica
• Beneficiário: Renato Picelli Sanches
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Processo FAPESP: 21/02340-0 - Otimização topológica de selos labirintos considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura com variáveis binárias
• Beneficiário: Eduardo Moscatelli de Souza
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 13/24434-0 - Sistemas propulsores eletromagnéticos para coração artificial implantável e dispositivos de suporte circulatório mecânico
• Beneficiário: José Roberto Cardoso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 17/27049-0 - Método de otimização topológica aplicado ao projeto de rotor e voluta de dispositivos de assistência ventricular baseados no efeito de viscosidade (princípio Tesla)
• Beneficiário: Diego Hayashi Alonso
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 20/15230-5 - Centro de Pesquisa e Inovação de Gases de Efeito Estufa - RCG2I
• Beneficiário: Julio Romano Meneghini
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia