Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Otimização geométrica do rotor Wells aplicado em usinas de coluna de água oscilante
Autor(es): MAIA, Pâmela Badessa
Primeiro Orientador: CAMACHO, Ramiro Gustavo Ramirez
metadata.dc.contributor.advisor-co1: OLIVEIRA, Waldir de
Resumo: Em uma primeira abordagem, é realizada a validação da simulação numérica (DFC) deum rotor de turbina Wells de8 pás formadas, por perfis aerodinâmicos NACA 0015 de comprimento da corda constante. Os resultados obtidos para as características de desempenho da turbina (coeficiente de torque, coeficiente de queda de pressão total e eficiência) são comparados aos valores experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Para a realização das simulações numéricas do escoamento em regime permanente no rotor da turbina Wells, foi utilizado um canal hidráulico periódico e um único domínio computacional. Malha não estruturada foi empregada, com camadas prismáticas nas proximidades da superfície pá do rotor. O modelo de turbulência 𝑘 − 𝜀Realizable foi utilizado com tratamento de parede aprimorado. Para o acoplamento pressão-velocidade foi utilizado o método SIMPLEC e esquemas de discretização e interpolação de segunda ordem. Em uma segunda abordagem, é apresentada uma metodologia de otimização para maximização do coeficiente de torque e da eficiência do rotor da turbina Wells. O processo de otimização consistiu na geração de um plano de experimentos DOE (Design of Experiments), onde foram definidas como variáveis geométricas de projeto o comprimento da corda e a espessura da pá, ambas parametrizadas e referentes à altura média e ao topo da pá. Após a realização das simulações numéricas do escoamento em todos os pontos do DOE, foi aplicada uma análise estatística aos resultados obtidos, verificando-se que a espessura da pá estatisticamente não tem influência significativa sobre o desempenho aerodinâmico do rotor da turbina Wells. Os resultados obtidos forneceram duas geometrias ótimas para o rotor da turbina Wells, sendo que a primeira (Otimizado A) apresentou um ganho máximo de31,11% para o coeficiente de torque e de 13,59% para a máxima eficiência. A segunda geometria (Otimizado B) apresentou um ganho de 20,18% para a máxima eficiência e uma redução de 5,44% para o máximo coeficiente de torque.
Abstract: rotor with 8 blades formed by NACA 0015 airfoils of constant chord length is carried out. The results obtained for the turbine performance characteristics (torque coefficient, total pressure drop coefficient across the turbine and efficiency) are compared to experimental and numerical values available in the literature. In order to carry out the numerical simulations of steady state flow in the Wells turbine rotor, a periodic hydraulic channel and a single computational domain were used. An unstructured mesh was employed, with prismatic layers close to the rotor blade surface. The k-ε Realizable turbulence model was used with improved wall treatment. For the pressurevelocity coupling, the SIMPLEC method and second-order discretization and interpolation schemes were used. In a second approach, an optimization methodology for maximizing the torque coefficient and the rotor efficiency of the Wells turbine is presented. The optimization process consisted of generating a DOE (Design of Experiments) experiment plan, where the profiles chord length and blade thickness were defined as geometric design variables, both parameterized and referring to the average height and tip of the blade. After carrying out numerical simulations of the flow at all points of the DOE, a statistical analysis was applied to the results obtained, verifying that the thickness of the blade does not statistically have a significant influence on the aerodynamic performance of the Wells turbine rotor. The results obtained provided two optimal geometries for the Wells turbine rotor, the first geometry (Optimized A) presented a maximum gain of 31.11% for the torque coefficient and 13.59% for maximum efficiency. The second geometry (Optimized B) showed a gain of 20.18% for maximum efficiency and a reduction of 5.44% for maximum torque coefficient.
Palavras-chave: Turbomáquina
Rotor de turbina Wells
Otimização
DOE
DFC
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3502
Data do documento: 2-Dez-2022
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