Design construtal e otimização numérica do escoamento interno em estruturas em forma de árvore

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Pepe, Vinicius da Rosa
• Orientador(a): Rocha, Luiz Alberto Oliveira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Escoamento de fluidos; Teoria constructal; Simulação numérica
• Palavras-chave em Inglês: Hess-Murray; Tree shaped structure; Internal flow; Constructal design
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/259213

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 ramificadas em forma de árvore. O estudo proposto assume escoamento tridimensional, laminar, incompressível, regime permanente e propriedades fluidodinâmicas constantes, sendo o regime de escoamento governado pelo número de Reynolds (ReD). O objetivo principal consiste em investigar numericamente o escoamento de fluidos newtonianos e não newtonianos no interior de uma estrutura dicotômica em forma de árvore com três níveis de ramificação e com seção circular, com caminho livre e obstruído, visando à minimização das resistências ao escoamento e identificando a configuração geométrica que minimiza as irreversibilidades do sistema, ou seja, que melhor distribui as perdas, quando o volume ocupado pelos dutos em cada nível de ramificação (Vi) é mantido constante, variando-se as razões de diâmetros (aD). 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. Como resultados obtiveram-se as estruturas ótimas que apresentaram a menor resistência ao escoamento e as estruturas que melhor distribuem as perdas ao longo do domínio, conforme as premissas da lei Construtal. Além disso, foi possível verificar o fenômeno do desbalanceamento do escoamento em uma estrutura simétrica, através dos isômeros, onde o tubo filho que está alinhado com o tubo avô transporta mais fluido que o tubo irmão. Pode-se afirmar que toda a obstrução gera um desequilíbrio na distribuição do escoamento, em maior ou menor intensidade, em comparação com a estrutura sem obstruções. Esta pesquisa avançou no presente estado da arte, pois se desenvolveu um modelo tridimensional, aplicado ao sistema de escoamento de fluidos em estrutura fluídica dicotômica, em forma de árvore, 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 permitir a futura implementação de métodos de otimização mais avançados.