RDBU| Repositório Digital da Biblioteca da Unisinos

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

Mostrar registro simples

Autor Cunegatto, Eduardo Henrique Taube;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/7111861402480722;
Orientador Zinani, Flávia Schwarz Franceschini;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/8732272690265023;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Design construtal para alto desempenho em arranjos de tubos e micromisturadores via simulação numérica;
Resumo 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.;
Abstract The combination of the Response Surface Method (RSM) and Constructional Design Method (CDM) was applied in the investigation of two problems: configurations of tube arrangements for heat transfer in pseudoplastic fluids and geometric optimization of micromixers. Concerning the first problem, tube arrangement systems were modeled such that three cases, with one, two, and four degrees of freedom were evaluated in terms of dimensionless heat transfer density. In the second problem, micromixers with cylindrical obstacles, whose vertical and horizontal positioning, were evaluated, totaling two degrees of freedom. Subsequently, the number of obstacles is also investigated, so one more degree of freedom was considered. The modeling of the described systems was elaborated and solved using numerical simulations via Computational Fluid Dynamics (CFD), through the finite volume method (FVM). Viscosity modeling for the pseudoplastic fluids was performed using the Power-Law model, while mixing modeling, in the second problem, the Species model was used. For both problems, continuity, and Navier-Stokes equations were solved. The application of the RSM methodology was done in open-source code, where the necessary experiments were designed using the Central Composite Design method, and, later, used to elaborate the polynomial model needed to create the response surfaces. Concerning the first study, it was noted that the heat transfer density is directly dependent on the distance between cylinders and that the greater the degree of pseudoplasticity of the fluid, the greater the performance in heat transfer. A significant difference in configuration was noticed when pseudoplastic and Newtonian fluids were used. For the former, the configuration tends to be more compact, so that smaller spacings and larger cylinders can be developed, contrary to the tendency presented by Newtonian fluids. Concerning the second study, it was observed that the greater the number of obstacles, the greater the mixture obtained. However, the energy required is also greater. By introducing the Mixing Energy Cost (MEC), designs with three obstacles were more efficient, while the one with seven (maximum evaluated value) had the worst index. However, the local pressure gradient is smaller for larger amounts of obstacles. By modifying degrees of freedom, it was possible to ensure that the system evolved so that the objective of the systems (heat and mass transfer) could be increased, thus ensuring higher performance, even for simple configurations.;
Palavras-chave Design construtal; CFD; Transferência de calor e massa; Otimização; RSM; Constructal design; Heat and mass transfer; Optimization;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica;
Tipo Dissertação;
Data de defesa 2023-03-15;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://www.repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/12505;
Programa Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica;


Arquivos deste item

Este item aparece na(s) seguinte(s) coleção(s)

Mostrar registro simples

Buscar

Busca avançada

Navegar

Minha conta

Estatística