Otimização topológica de perda de carga utilizando CFD

Abstract

Aos meus pais Valdete Lopes dos Santos e Joel Bonfim Nogueira, por me proporcionarem as melhores condições para que eu pudesse me dedicar exclusivamente aos meus estudos. À minha namorada Ailyn de Oliveira Vilela, por estar sempre ao meu lado e me fazer acreditar que tudo é possível, e por me fazer mais feliz independente das saudades e das distâncias. À Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) e à Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) pela oportunidade de me tornar mestre. Ao meu orientador Prof. Dr. Rogério Gonçalves dos Santos pela oportunidade, disponibilidade e incontáveis contribuições. Aos meus colegas do Departamento de Energia pela disposição e paciência em me ajudar com meus trabalhos e dúvidas. Aos amigos que fiz em Campinas, por serem meus companheiros nessa jornada difícil e muito, muito longe de casa. E aos amigos que estão distantes, dessa vez muitos deles para citar a todos, por ainda estarem presentes, apesar de distantes. Resumo No presente trabalho buscou-se simular e otimizar a geometria de canais para que o escoamento em regime laminar de fluído incompressível através deste tivesse menor perda de carga quando comparado a um canal não otimizado. Foram otimizadas três geometrias diferentes, com diferentes números de Reynolds, o degrau, o cotovelo e o cano duplo. Para simulação do escoamento foi utilizado um código CFD em linguagem Fortran que resolve as equações de Navier-Stokes em duas dimensões para fluidos newtonianos incompressíveis. O código utilizado trabalha com volumes finitos, o método UNIFAES e o acoplamento pressãovelocidade através da equação de Poisson. Ele está paralelizado por meio do uso de openmp. Aotimização foi realizada com uma técnica conhecida como otimização topológica, onde as características geométricas do canal são alteradas pela mudança na disposição do material que compõe o mesmo. No presente trabalho a otimização buscou eliminar as zonas de recirculação e estagnação do escoamento, assim reduzindo a perda de carga causada por estas. Diferentes geometrias foram simuladas a fim de encontrar geometrias otimizadas, e ao final do experimento os resultados de perda de carga foram analisados para checar sua concordância com resultados encontrados em literatura. Em alguns dos casos estudados a redução da perda de carga foi de mais de 90%.