Método de otimização topológica aplicado a escoamentos incompressíveis integrando o método de volumes finitos (MVF) e o método de elementos finitos (MEF)

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Aguiar, Ualas Magalhães
Orientador(a): Saenz, Juan Sergio Romero lattes
Banca de defesa: Siqueira, Renato do Nascimento lattes, Nascimento, Edilson Luiz do lattes, Ribeiro, Daniel da Cunha lattes
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
Mestrado em Engenharia Mecânica
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Departamento: Centro Tecnológico
País: BR
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/16533
Resumo: This work proposes the creation of a new topological optimization methodology, applied to incompressible flows. This methodology proposes the union of the OpenFOAM software, which uses the finite volume method to solve the Navier-Stokes equation, together with the Topological Optimization Method (TOM), which uses the finite element method to solve it. . The optimization methodology is applied to the study and design of hydrodynamic components, such as diffusers, mixers and valves, seeking to optimize these equipment. Computational flow modeling tools, better known as Computational Fluid Dynamics (CFD), are tools with great ability to simulate with good accuracy, important features in the field of fluid mechanics, being a powerful tool that covers a wide range of areas industrial and non-industrial application. Another tool that has been gaining ground in several areas is the MOT. MOT is a computational method that allows to obtain an optimized design of a system, through the distribution of a limited amount of material in a given design domain. In this case, the MOT is applied to a porous solid domain, allowing to obtain the optimized topology (optimal shape) of a geometry where its final optimized shape is controlled by a variable that has a single value that varies from cell to cell of the mesh, updated throughout the iterative process, referred to as the design variables. As the advantages of using both tools are evident, the project presented here proposes to unite these tools in an optimization methodology, this methodology being applicable to cases where the flow is single-phase and incompressible. The implementation of the optimization methodology is carried out in the form of coupled computational routines, integrating the OpenFOAM software, which solves the Navier-Stokes equations, using the finite volume method, and the topological optimization method ( MOT), which uses the finite element method in its resolution. The MOT routine is executed in a generic copiler, which reads the Matlab language. As a way of attesting the effectiveness of the optimization methodology proposed here, the optimization methodology was applied to some geometries with already consolidated results in the area of topological optimization. The geometries used were the nozzle, elbow, double channel and multi-outlet devices. Comparing the results obtained by this project with the results found in the literature, the optimized geometries obtained showed a very close similarity with the literature, in some cases such as the nozzle, elbow and double channel the results were identical to the literature. In general, device optimization, using MOT together with the OpenFOAM software, proved to be viable and efficient in the process of optimizing hydrodynamic devices.
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The optimization methodology is applied to the study and design of hydrodynamic components, such as diffusers, mixers and valves, seeking to optimize these equipment. Computational flow modeling tools, better known as Computational Fluid Dynamics (CFD), are tools with great ability to simulate with good accuracy, important features in the field of fluid mechanics, being a powerful tool that covers a wide range of areas industrial and non-industrial application. Another tool that has been gaining ground in several areas is the MOT. MOT is a computational method that allows to obtain an optimized design of a system, through the distribution of a limited amount of material in a given design domain. In this case, the MOT is applied to a porous solid domain, allowing to obtain the optimized topology (optimal shape) of a geometry where its final optimized shape is controlled by a variable that has a single value that varies from cell to cell of the mesh, updated throughout the iterative process, referred to as the design variables. As the advantages of using both tools are evident, the project presented here proposes to unite these tools in an optimization methodology, this methodology being applicable to cases where the flow is single-phase and incompressible. The implementation of the optimization methodology is carried out in the form of coupled computational routines, integrating the OpenFOAM software, which solves the Navier-Stokes equations, using the finite volume method, and the topological optimization method ( MOT), which uses the finite element method in its resolution. The MOT routine is executed in a generic copiler, which reads the Matlab language. As a way of attesting the effectiveness of the optimization methodology proposed here, the optimization methodology was applied to some geometries with already consolidated results in the area of topological optimization. The geometries used were the nozzle, elbow, double channel and multi-outlet devices. Comparing the results obtained by this project with the results found in the literature, the optimized geometries obtained showed a very close similarity with the literature, in some cases such as the nozzle, elbow and double channel the results were identical to the literature. In general, device optimization, using MOT together with the OpenFOAM software, proved to be viable and efficient in the process of optimizing hydrodynamic devices.Este trabalho propõe a criação de uma nova metodologia de otimização topológica, aplicada a escoamentos incompressíveis. Tal metodologia tem como proposta a união do software OpenFOAM, que utiliza o método de volumes finitos para a resolução da equação de Navier-Stokes, em conjunto com o Método de Otimização Topológica (MOT), que utiliza o método de elementos finitos na sua resolução. A metodologia de otimização é aplicada ao estudo e à projeção de componentes hidrodinâmicos, tais como difusores, misturadores e válvulas, buscando a otimização desses equipamentos. Ferramentas computacionais de modelagem de escoamentos, mais conhecidas como Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC), são ferramenta com grande capacidade de simular, com uma boa exatidão, características importantes na área da mecânica dos fluidos, sendo uma ferramenta poderosa que abrange uma ampla gama de áreas de aplicação industrial e não industrial. Outra ferramenta que vem ganhando espaço em diversas áreas é o MOT, é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio sólido poroso, permitindo obter a topologia otimizada (forma ótima) de uma geometria onde a sua forma final otimizada é controlada por uma variável que possui um valor único que varia de célula a célula da malha, atualizadas ao longo do processo iterativo, referidas como a variáveil de projeto. Sendo evidente as vantagens da utilização das duas ferramentas, o projeto aqui apresentado se propõe fazer a união dessas ferramentas em uma metodologia de otimização, sendo aplicável a casos em que o escoamento é monofásico e incompressível. A implementação da metodologia de otimização é realizada sob a forma de rotinas computacionais acopladas, integrando o softwares OpenFOAM, que faz a resolução das equações de Navier-Stokes, utilizando o método de volumes finitos e o Método de otimização topológica (MOT), que utiliza o método de elementos finitos na sua resolução. A rotina do MOT é executada em um compilador genérico, que leia a linguagem Matlab. Como uma forma de atestar a efetividade da metodologia de otimização aqui proposta, se fez a aplicação da metodologia de otimização em algumas geometrias, com resultados já consolidados na área de otimização topológica. As geometrias utilizadas foram o bocal, cotovelo, canal duplo e dispositivos multissaídas. Na comparação dos resultados obtidos por este projeto com os resultados presentes na literatura, as geometrias otimizadas obtidas apresentaram uma similaridade muito próximas com a literatura, em alguns casos, como o bocal, cotovelo e canal duplo, os resultados foram idênticos ao da literatura. De forma geral, a otimização de dispositivos, utilizando o MOT em conjunto com o software OpenFOAM, mostrou-se viável e eficiente no processo de otimização de dispositivos hidrodinâmicos.Texthttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16533porUniversidade Federal do Espírito SantoMestrado em Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFESBRCentro Tecnológicosubject.br-rjbnEngenharia MecânicaOtimização topológicaElementos finitosMétodos numéricosMétodo de otimização topológica aplicado a escoamentos incompressíveis integrando o método de volumes finitos (MVF) e o método de elementos finitos (MEF)info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFESORIGINALUalasMagalhaesAguiar-2022-trabalho.pdfapplication/pdf2353396http://repositorio.ufes.br/bitstreams/426c5dc3-b92b-4f2d-bbf3-404ab15cfaf9/download4ad962f6104cacd196b882aec1766ef2MD5110/165332025-08-13 18:55:33.783oai:repositorio.ufes.br:10/16533http://repositorio.ufes.brRepositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082025-08-13T18:55:33Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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