Otimização de um modelo de turbina hidráulica tipo bulbo aplicada em condições de queda ultrabaixa

Abstract

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para o incremento da eficiência hidráulica de um protótipo de turbina de queda ultrabaixa através da modificação geométrica do tubo de sucção, tendo como função objetivo a maximização do coeficiente de recuperação de pressão, Cp. Em uma primeira abordagem, no plano meridional 2D, foram parametrizadas curvas e a introdução de um hidrofólio no tubo de sucção. Para o cálculo do escoamento utilizou-se ferramenta comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional - DFC (ANSYS Fluent®), integrado com algoritmos de otimização estocástico MOSA (Multi-Objective Simulated Annealing), baseado no Recozimento Simulado, através da população de combinações de 12 variáveis geométricas realizada através de um plano de experimentos aleatório. O resultado obtido com a otimização foi comparado com outras configurações geométricas do tubo de sucção caracterizando um maior valor de Cp. Com base na abordagem 2D, os casos analisados foram estendidos para as análises tridimensionais, com o objetivo de comparar quantitava e qualitativamente os resultados do comportamento hidrodinâmico no tubo de sucção. Por fim, uma análise comparativa por DFC entre a turbina composta pelo tubo de sucção original e a turbina com tubo de sucção otimizado foi realizada, comprovando um aumento na eficiência hidráulica da turbina de 82% para 84%. A metodologia aplicada foi satisfatória considerando a otimização da geometria do tubo de sucção, que representou um aumentar a eficiência hidráulica da turbina. Esta metodologia de análise 2D-3D, tem como vantagem o baixo custo computacional na integração de DFC e algoritmos de otimização, mesmo com uma considerável quantidade de variáveis de projeto.