Inverse problems applied to the experimental thermal and hygric analysis of engineering materials

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: RAMOS, Nícolas Pinheiro
• Orientador(a): SILVA, Sandro Metrevelle Marcondes Lima e
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Itajubá
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
• Departamento: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Análise inversa; Caracterização higrotérmica; Aço inoxidável; Experimentos complementares; Parede multicamadas; Casa pré-fabricada ocupada; Desempenho in situ
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
• Link de acesso: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4020

Várias aplicações importantes baseiam-se em um problema inverso, que envolve a recuperação de causas desconhecidas a partir da observação de seus efeitos. Já o problema direto correspondente envolve a previsão dos efeitos a partir de uma descrição completa de suas causas. Naturalmente, os problemas inversos são mais complicados do que os problemas diretos porque, em geral, eles são mal-postos, ou seja, a solução não existe, não é única ou não depende continuamente dos dados de entrada. Para amenizar esse aspecto problemático, a modelagem inversa aplicada requer uma modelagem matemática/física detalhada e experimentos bem planejados, já que os parâmetros desejados são estimados pela comparação dos dados calculados com as medições experimentais. Nesta tese de doutorado, abordagem inversa foi aplicada para investigar experimentalmente três estudos de caso: • experimentos complementares para estimar simultaneamente os parâmetros que descrevem a condutividade térmica e o calor específico dependentes da temperatura do aço inoxidável austenítico 304. A estimativa de parâmetros aproveita informações adicionais fornecidas por dois corpos condutores de calor com geometrias diferentes. Trata-se de uma abordagem alternativa às técnicas de caracterização térmica padrão, que geralmente estão fora do alcance de muitos laboratórios. • medições de campo de um ano para estimar várias propriedades higrotérmicas e, assim, calibrar o modelo de simulação de uma parede leve multicamadas. Um modelo 2D de transferência de calor e umidade foi usado para investigar a resposta em uso da região de junção do painel, que é crítica em termos de estanqueidade. Os resultados permitem uma avaliação precisa das condições operacionais da edificação, reduzindo as incertezas nos dados de entrada do material. • dados de campo para determinar o fluxo anual de condução de calor por meio de uma parede em uma casa ocupada. A modelagem inversa levou em conta as interações físicas entre o ambiente externo e a ocupação interna. Os resultados são úteis para apoiar a tomada de decisões sobre o desempenho energético, pois há uma falta de monitoramento de campo de longo prazo e de informações sobre o fluxo dinâmico de calor relacionado a residências pré-fabricadas ocupadas. Todas as análises acima basearam-se na avaliação da correspondência entre dados calculados por simulações numéricas no COMSOL Multiphysics e medições que transmitem o comportamento físico do componente em estudo. Os dados numéricos e experimentais foram processados e usados para fins de estimação inversa em ambiente MATLAB. Após uma análise cuidadosa e minuciosa dos coeficientes de sensibilidade, diferentes abordagens de otimização foram usadas para resolver os problemas inversos. Inferência bayesiana foi aplicada para determinar as estimações e as incertezas correspondentes das propriedades térmicas do aço inoxidável 304. O algoritmo Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS), que determina a direção de descida pré-condicionando o gradiente com informações de curvatura, foi usado no segundo estudo de caso. O fluxo de calor através da parede foi estimado usando o método sequencial da função especificada, que expressa a temperatura como função do fluxo de calor por meio de uma série de Taylor de primeira ordem. Os resultados mostram que a análise inversa é uma ferramenta confiável para obter informações valiosas sobre os mecanismos e parâmetros higrotérmicos envolvidos em problemas de engenharia.