Metodologia de otimização multifidelidade baseada em kriging hierárquico aprimorado com aplicação ao projeto preliminar de turbinas hidrocinéticas

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: CARDOSO NETTO, David
• Orientador(a): MANZANARES FILHO, Nelson
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• 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: Otimização Bayesiana; Metamodelagem multifidelidade; Kriging hierárquico aprimorado por funções de base radial; Turbinas hidrocinéticas; Dinâmica dos fluidos computacional
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
• Link de acesso: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4160

Existe um grande potencial hidrocinético em diferentes cursos de água corrente, como rios, canais e fluxos de usinas. O projeto de uma turbina pode envolver tanto o dimensionamento da turbina a partir de parâmetros previamente estabelecidos por meio de conhecimento empírico, como também a determinação desses parâmetros por meio de técnicas de otimização. Dentre os processos de otimização, o presente trabalho faz uso da otimização bayesiana, mais especificamente, da otimização global eficiente. Assim, este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de uma metodologia de otimização global mais eficiente, baseada em metamodelagem multifidelidade, e com aplicação no projeto de turbinas. Um novo método de metamodelagem multifidelidade baseado em Kriging Hierárquico aprimorado por Funções de Base Radial é desenvolvido. É proposto o aprimoramento do metamodelo construído com base nos pontos de alta fidelidade e a correção do metamodelo construído com base nos pontos de baixa fidelidade. O método proposto é aplicado em funções de teste analíticas e no projeto preliminar de uma turbina hidrocinética carenada com o objetivo de maximizar a potência hidráulica pela otimização dos parâmetros geométricos da turbina. Os parâmetros geométricos da ogiva e da nacele, e o ângulo de ataque do difusor são definidos como variáveis de projeto. A turbina é modelada em CFD com dois níveis de refinamento malhas, fina e grosseira, adotadas como as fontes de alta e baixa fidelidades, respectivamente. O rotor é aproximado por um disco atuador com uma queda de pressão fixa. O processo de otimização é feito comparando o método proposto com dois métodos da literatura. Os resultados da aplicação em funções de teste analíticas mostram que o método proposto teve melhor desempenho para o caso de teste de maior número de variáveis e com a mais alta multimodalidade. Para o caso real de engenharia, o método desenvolvido resulta em uma evolução média da potência hidráulica maior que a dos outros dois métodos para o primeiro quarto do orçamento computacional total, além de apresentar menor desvio padrão durante a maior parte do tempo de otimização. A geometria de turbina otimizada resulta no aumento do canal a jusante do rotor e no aumento do diâmetro da ogiva, culminando em um aumento de 21% no coeficiente de potência.