Otimização topológica para o projeto de selos labirinto considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura com variáveis discretas e contínuas. - Souza, Eduardo Moscatelli de (2024)
Selos labirinto são dispositivos mecânicos utilizados para selar máquinas rotativas em aplicações envolvendo compressão de metano (CH4) e gás carbônico (CO2). Portanto, a otimização de selos labirintos é crucial para controlar o aumento da temperatura atmosférica, uma vez que o CH4 e o CO2 são gases de efeito estufa. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é desenvolver algoritmos de otimização topológica considerando escoamento turbulento e interação fluido-estrutura e aplicar estes algoritmos para projetar selos labirinto eficientes, reduzindo a emissão de CH4 e CO2. Os principais desafios da otimização topológica de selos labirinto são evitar o fechamento do canal, atribuir velocidades diferentes ao rotor e ao estator e evitar ilhas de sólido desconectadas das paredes. Este trabalho propõe duas abordagens que atendem a esses três requisitos e compara as duas. A primeira abordagem envolve variáveis de projeto binárias e uma extensão do método TOBS (Topology Optimization of Binary Structures) que evita distribuições de material indesejadas. A segunda abordagem é baseada em variáveis de projeto contínuas e um método que considera o canal como a interface entre o rotor e o estator. Esta última abordagem exige restrições de conectividade para evitar ilhas de sólido. Duas restrições de conectividade são exploradas, uma baseada em interação fluido-estrutura e outra em um problema virtual de transferência de calor. As abordagens binária e contínua são comparadas para escoamento laminar e turbulento. Como alguns projetos apresentam distribuições de material que não podem ser montadas diretamente devido à interferência entre o rotor e estator, este trabalho também investiga a combinação dos conceitos de selos labirinto e selos infláveis, que são selos que se deformam quando pressurizados. Esta característica pode ser utilizada, por exemplo, para ajustar o vão entre o rotor e o estator após a montagem e atingir configurações de montagem complexas. A modelagem do selo labirinto considera escoamento turbulento, que afeta o desempenho de selo labirinto. O escoamento na cavidade do selo labirinto é modelado pelas equações de Navier-Stokes médias (RANS) acopladas com o modelo de Spalart-Allmaras. Já o projeto dos selos infláveis considera o equilíbrio estático de estruturas sujeitas a carregamentos de pressão e grandes deformações. O método dos elementos finitos (FEM) é utilizado para resolver as equações de equilíbrio. A análise de sensibilidades é feita com diferenciação automática. O problema de otimização é resolvido com as bibliotecas CPLEX® e MMA (Method of Moving Asymptotes). Três arranjos de selos labirinto são otimizados: eixo liso, eixo escalonado e eixo escalonado com entrada e saída não alinhadas. Os selos infláveis são projetados por otimização topológica com carregamento de pressão e grandes deslocamentos.