Design construtal para alto desempenho em arranjos de tubos e micromisturadores via simulação numérica

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Cunegatto, Eduardo Henrique Taube
• Orientador(a): Zinani, Flávia Schwarz Franceschini
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade do Vale do Rio dos Sinos
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
• Departamento: Escola Politécnica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Design construtal; Transferência de calor e massa; Otimização
• Palavras-chave em Inglês: CFD; RSM; Constructal design; Heat and mass transfer; Optimization
• Área do conhecimento CNPq: ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica
• Link de acesso: http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/12505

A combinação dos Método Superfície de Resposta (RSM) e Método Design Construtal (MDC) foi aplicada na investigação de dois problemas: configurações de arranjos de tubos para transferência de calor em fluidos pseudoplásticos e otimização geométrica de micromisturadores. Com relação ao primeiro problema, sistemas de tubos foram modelados de forma que três casos, com um, dois e quatro graus de liberdade fossem avaliados em termos de densidade de transferência de calor adimensional. No segundo problema, micromisturadores com obstáculos cilíndricos, cujo posicionamento vertical e horizontal, foram avaliados, totalizando dois graus de liberdade. Posteriormente, o número de obstáculos também é investigado, de forma que mais um grau de liberdade é considerado. A modelagem dos sistemas descritos foi elaborada e resolvida por meio de simulações numéricas via Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), através do método dos volumes finitos (MVF). A modelagem da viscosidade para os fluidos pseudoplásticos foi realizada por meio do modelo Power-Law, enquanto que a modelagem da mistura, no segundo problema, utilizou-se o modelo de Espécies. Para ambos os problemas, equações da continuidade e Navier-Stokes foram solucionadas. A aplicação da metodologia RSM foi feita em código aberto, onde os experimentos necessários foram projetos por meio do método Central Composite Design, e, posteriormente, utilizados para elaboração do modelo polinomial necessário para criação das superfícies de resposta. Com relação ao primeiro estudo, notou-se que a densidade de transferência de calor é diretamente dependente da distância entre cilindros e que, quanto maior o grau de pseudoplasticidade do fluido, maior é a performance na transferência de calor. Percebeu-se uma grande diferença na configuração quando fluidos pseudoplásticos e Newtonianos são utilizados. Para os primeiros, a configuração tende a ser mais compacta, de forma que espaçamentos menores e cilindros maiores possam ser desenvolvidos, contrariando a tendência apresentada pelos fluidos Newtonianos. Com relação ao segundo estudo, observou-se que, quanto maior o número de obstáculos, maior é a mistura obtida. Entretanto, a energia necessária também é maior. Por meio da introdução do Mixing Energy Cost (MEC), designs com três obstáculos foram mais eficientes, enquanto que o de sete (valor máximo avaliado) teve o pior índice. Contudo, o gradiente de pressão local é menor para quantidades maiores de obstáculos. Através da modificação de graus de liberdade, foi possível garantir que o sistema evoluísse de forma que objetivo dos sistemas (transferência de calor e massa) pudesse ser aumentado, garantindo assim uma maior performance, mesmo para configurações simples.