Otimização numérica do escoamento interno em estruturas em forma de T aplicando o método design construtal

Abstract

Este trabalho tem como propósito, investigar a validade da lei de Hess-Murray, através da experimentação numérica, aplicando o método do Design Construtal associado ao método de otimização da busca exaustiva, no escoamento interno em estruturas em forma de T com seção circular. Variação do número de Reynolds, escoamento de fluidos newtonianos e não newtonianos, estrutura em forma de T com paredes impermeáveis e permeáveis, foram as principais características avaliadas para confrontar a lei de Hess-Murray. O estudo proposto assume escoamento tridimensional, laminar, incompressível, regime permanente e propriedades fluidodinâmicas constantes, sendo o regime de escoamento governado pelo número de Reynolds (Re). O objetivo principal consiste em determinar as configurações ótimas que facilitem o escoamento de fluido ou minimizem as resistências ao escoamento, quando a área ocupada pelos dutos (A) e o volume ocupado pelos dutos (V) são mantidos constantes, variando-se as razões de diâmetros (aD) e comprimentos (aL). As equações de conservação de massa e quantidade de movimento, foram resolvidas através do método de volumes finitos. A geometria foi discretizada através de uma malha tridimensional composta por aproximadamente 1.950.000 elementos. Como resultados, obteve-se as geometrias ótimas que apresentaram resistências ao escoamento até 30 vezes menor do que as demais configurações. Além disso, foi possível verificar que a lei de Hess-Murray nem sempre é válida, visto que o sistema adapta sua geometria ótima para cada condição de escoamento, a fim de proporcionar a melhor arquitetura de escoamento para atender ao objetivo de minimizar as resistências ao escoamento em acordo com a Lei Construtal. Esta dissertação avançou no presente estado da arte, pois desenvolveu um modelo tridimensional sem simplificações, aplicado ao sistema de escoamento de fluidos em estrutura em forma de T utilizando o método do Design Construtal, validando os resultados analíticos apresentados na bibliografia e apresentando novas referências que permitem ampliar a complexidade dos sistemas de escoamento bem como a implementação de métodos de otimização mais avançados.

This work investigates, through the numerical experimentation together with the Construtal Design method, the Hess-Murray Law in the internal flow in T-shaped structures with a circular section for the laminar flow of Newtonian and non-Newtonian fluids with impermeable and permeable walls, determining the optimal configurations that facilitate fluid flow or minimize flow resistance. The geometric global constants, the volume occupied by the ducts (V) and the area occupied by the ducts (A), delimit the space occupied by the T-shaped structure and the degrees of freedom, the ratio between the diameter of the parent duct and daughter (aD) and the ratio between parent duct length and daughter (aL), are the main geometric parameters to be evaluated. The proposed study is assumed three-dimensional, laminar, incompressible, permanent and constant fluidodynamic properties being the flow regime governed by Reynolds number (Re). Construtal Design method, associated with the exhaustive search, was used to determine the global geometric constants, degrees of freedom and objective function in the geometric evaluation of the system. The numerical solution of the mass conservation and momentum equations is solved based on the finite volume method. The geometries and mesh of the computational domain was discretized through a three-dimensional composed of approximately 1,950,000 elements. The results show that the optimal geometries that presented resistance to the flow up to 30 times smaller than the other configurations. In addition, it was possible to verify that the Hess-Murray Law is not always valid, since the system adapts its optimal geometry to each flow condition, in order to provide a better flow architecture to meet the objective of minimizing resistance to flow in agreement with the Constructal Law. This work advanced in the present state of the art, since it developed a three-dimensional model without simplifications, applied to the fluid flow system in T-shaped structure using the Construtal Design method, validating the analytical results presented in the bibliography and presenting new references that allow increase the complexity of flow systems as well as the implementation of more advanced optimization methods.