Topology optimization applied to labyrinth seal design by using sequential integer linear programming. (2025)
- Authors:
- Autor USP: AZEVÊDO, ANDERSON SOARES DA COSTA - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: ESCOAMENTO; MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS; MÉTODOS TOPOLÓGICOS; SOLOS
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: Os avanços recentes em ferramentas computacionais e técnicas de manufatura aditiva ampliaram as possibilidades para o design de dispositivos fluidodinâmicos no contexto industrial. Entre essas inovações, os selos labirintos a gás destacam-se como mecanismos passivos promissores para reduzir vazamentos de gases de efeito estufa, essenciais para o desempenho de máquinas rotativas e a mitigação de impactos ambientais. A literatura frequentemente utiliza otimização paramétrica e de forma para melhorar o design desses dispositivos mecânicos. Em contraste, a otimização topológica permite criar designs inovadores e não intuitivos devido à sua alta flexibilidade de projeto. Nesse cenário, o projeto sistemático de selos labirínticos enfrenta desafios que exigem adaptação metodológica das abordagens tradicionais. O problema é tridimensional, o que eleva os custos computacionais de simulação e otimização. Também é necessário rastrear as paredes do rotor e do estator, mantendo uma distância mínima entre as fases sólidas para evitar o fechamento do canal. Além disso, a escassez de estudos sobre fluxos em altas velocidades e a falta de resultados experimentais com geometrias de bancada dificultam avanços. Essa aplicação envolve objetivos relacionados ao fluxo fluidodinâmico, à análise estrutural ou à interação fluidoestrutura. Esta tese apresenta diretrizes para o design otimizado de selos labirínticos usando otimização topológica discreta. Demonstra-se o potencial do método Topology Optimization of Binary Structures (TOBS) para solucionar os desafios e gerar designs inovadores. Uma vantagem dessa abordagem discreta é a definição clara dos domínios durante toda a otimização, eliminando valores intermediários de densidade (regiões em escala de cinza), o que facilita a fabricação de protótipos e a identificação de contornos.Além disso, os modelos de interpolação de material são lineares, sem fatores de penalização, devido à formulação discreta do problema. As funções objetivo incluem flexibilidade estrutural, energia cinética rotacional, dissipação de energia, vorticidade, tensão de cisalhamento e velocidade radial. Também são exploradas combinações dessas grandezas físicas, ponderadas por termos específicos. As restrições de otimização abrangem volume, diodicidade e distância mínima. O campo de sensibilidade é calculado pelo método adjunto com diferenciação automática. Formulamos um exemplo com dimensões de bancada do grupo de pesquisa e comparamos quatro metodologias. As equações do fluxo e do sólido são resolvidas no referencial inercial via método dos elementos finitos, e a otimização é tratada por programação linear inteira. A discretização do problema usa malhas adaptativas com contornos suavizados capturados por técnicas de isossuperfície. Por fim, demonstramos a eficácia das abordagens desenvolvidas em capturar efeitos dissipativos, como recirculação de fluxo e estrangulamento, em geometrias bidimensionais axisimétricas.
- Imprenta:
- Data da defesa: 25.03.2025
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ABNT
AZEVEDO, Anderson Soares da Costa. Topology optimization applied to labyrinth seal design by using sequential integer linear programming. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-10072025-132051/pt-br.php. Acesso em: 27 dez. 2025. -
APA
Azevedo, A. S. da C. (2025). Topology optimization applied to labyrinth seal design by using sequential integer linear programming. (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-10072025-132051/pt-br.php -
NLM
Azevedo AS da C. Topology optimization applied to labyrinth seal design by using sequential integer linear programming. [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-10072025-132051/pt-br.php -
Vancouver
Azevedo AS da C. Topology optimization applied to labyrinth seal design by using sequential integer linear programming. [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-10072025-132051/pt-br.php - Body-fitted topology optimization via integer linear programming using surface capturing techniques
- On the multi-objective perspective of discrete topology optimization in fluid-structure interaction problems
- A multi-objective function for discrete topology optimization in labyrinth seal design problems
- Experimental setup for labyrinth seals: pressure, temperature, mass flow rate, rotation velocity, and pressure drop simultaneous measurement
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