Topology optimization of fluid diodes based on integer linear programming. (2021)
- Authors:
- Autor USP: SOUZA, BRUNO CALDAS DE - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: MÉTODOS TOPOLÓGICOS; DINÂMICA DOS FLUÍDOS; DIODOS; MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: Diodos fluídicos são dispositivos que inibem o fluxo de fluido de um ambiente para outro, porém permitindo que em alguns casos ocorra o sentido oposto. Um exemplo bem conhecido é a válvula Tesla. Existe um tipo particular de diodo fluídico usado para minimizar vazamentos em turbinas e compressores chamados selos labirinto, cuja otimização pode trazer grandes melhorias relacionadas às emissões de CO2 e CH4. A otimização topológica é uma ferramenta de otimização poderosa, que já foi aplicada para projetar alguns diodos fluidos planos 2D. Assim, com esta questão ambiental em mente e a fim de encontrar novos selos labirintos eficientes, o escopo deste trabalho é desenvolver uma nova formulação de otimização topológica para obter projetos inovadores e não intuitivos de diodos fluídicos focado em selos labirintos. Como primeira contribuição, a formulação de otimização topológica proposta neste trabalho baseia-se na programação linear inteira. Na atual implementação de otimização de topológica para fluidos considerando métodos de densidade, existem essencialmente dois problemas. Primeiramente, a escala de cinza no resultado dificulta a identificação do contorno da malha do fluido, o que pode ser um problema em algumas aplicações também durante o processo de otimização. Em segundo lugar, mesmo para problemas de projeto de fluxo de Reynolds baixo, um esquema de continuação dos parâmetros de penalização do modelo de material é necessário para evitar a escala de cinza e para obter fronteiras sólido/fluido claras. Este trabalho propõe uma nova metodologia que resolve esses dois problemas, ou seja, evita a escala de cinza e obtém fronteiras de sólido e fluido mais claras. Já no projeto do selo labirinto, o mesmo apresenta partes fixas(estator) e rotacionais (eixo), assim como segunda contribuição, um algoritmo de classificação é implementado para identificar partes pertencentes ao eixo e ao sólido e desta forma aplicar condições de contorno rotacionais a cada sólido que surge durante a otimização topológica. Finalmente, uma função objetivo considerando alguma interação fluido-estrutura é definida para evitar o surgimento de ilhas, que são muito comuns neste tipo de projeto, porém não são aceitáveis em projetos axissimétricos de selos labirinto. Assim a função multiobjetivo definida contém termos de energia de dissipação, vorticidade e funções estruturais. Com relação à geometria do selo labirinto, o problema é modelado com um modelo de elemento finito girante 2D. E descrito o cálculo de sensibilidades e a linearização do problema para otimização em variáveis inteiras. A implementação numérica é feita em Python com o auxílio de bibliotecas de elementos finitos (FEniCS) para calcular o problema direto e adjunto. A biblioteca de otimização proprietária da IBM (CPlex) é usada como algoritmo de otimização. Como resultados são apresentados projetos de selo labirinto otimizados obtidos de acordo com o objetivo do projeto, variando a rotação, padrões de vazamento e razão de aspecto do domínio do projeto.
- Imprenta:
- Data da defesa: 14.04.2021
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ABNT
SOUZA, Bruno Caldas. Topology optimization of fluid diodes based on integer linear programming. 2021. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2021. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-18052021-134145/. Acesso em: 16 abr. 2024. -
APA
Souza, B. C. (2021). Topology optimization of fluid diodes based on integer linear programming. (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-18052021-134145/ -
NLM
Souza BC. Topology optimization of fluid diodes based on integer linear programming. [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 16 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-18052021-134145/ -
Vancouver
Souza BC. Topology optimization of fluid diodes based on integer linear programming. [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 16 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-18052021-134145/
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