Topology optimization to design labyrinth seals considering turbulent flow and fluid-structure interaction with discrete and continuous design variables (2024)
- Authors:
- Autor USP: SOUZA, EDUARDO MOSCATELLI DE - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS; ESCOAMENTO
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: 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 serutilizada, 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.
- Imprenta:
- Data da defesa: 11.03.2024
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ABNT
SOUZA, Eduardo Moscatelli de. Topology optimization to design labyrinth seals considering turbulent flow and fluid-structure interaction with discrete and continuous design variables. 2024. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2024. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-11042024-081103/pt-br.php. Acesso em: 27 dez. 2025. -
APA
Souza, E. M. de. (2024). Topology optimization to design labyrinth seals considering turbulent flow and fluid-structure interaction with discrete and continuous design variables (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-11042024-081103/pt-br.php -
NLM
Souza EM de. Topology optimization to design labyrinth seals considering turbulent flow and fluid-structure interaction with discrete and continuous design variables [Internet]. 2024 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-11042024-081103/pt-br.php -
Vancouver
Souza EM de. Topology optimization to design labyrinth seals considering turbulent flow and fluid-structure interaction with discrete and continuous design variables [Internet]. 2024 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-11042024-081103/pt-br.php - Design of pneumatic and hydraulic soft actuators by topology optimization method.
- Topology optimization applied to the design of actuators driven by pressure loads
- Topology optimization of labyrinth seals using interface identification techniques
- Pure-displacement formulation and bulk modulus propagation for topology optimization with pressure loads
- Hybrid geometry trimming algorithm based on Integer Linear Programming for fluid flow topology optimization
- Topology optimisation for rotor‑stator fuid fow device
- Fiber orientation in brittle materials considering post-fracture behavior
- Integer programming topology optimization for subsonic compressible flows with geometry trimming
- A multi-objective function for discrete topology optimization in labyrinth seal design problems
- Topology optimization of turbulent fluid flow via the TOBS method and a geometry trimming procedure
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