Projeto de selos do tipo labirinto utilizando otimização topológica baseada numa abordagem de curvas de nível

Resumo

Este trabalho se insere no escopo do projeto do Centro Brasileiro de Pesquisa (CEPID) para Inovação em Gás, número Fapesp: 2014/50279-4, e visa otimizar o desempenho de selos labirinto, amplamente utilizados em turbomáquinas, que são por definição elementos de vedação sem contato. Vários estudos existentes na literatura, tanto experimentais quanto numéricos, são dedicados a escolher/testar as configurações geométricas de selos labirinto para um melhor desempenho nos equipamentos através do controle de escoamento. A importância destes estudos não se resume apenas ao fator eficiência, existe também o fator climático relativo à poluição do ar: fontes revelam que 60% das emissões de metano estão relacionadas aos vazamentos de dispositivos pneumáticos. A proposta desta pesquisa é ampliar os conceitos de projeto destes selos de vedação (que atualmente limitam-se a variar parâmetros geométricos de projetos existentes na literatura e na indústria) empregando os conceitos de Otimização Topológica (OT). Otimização Topológica é um método destinado a obter topologias com uma distribuição ótima de material, a fim de maximizar ou minimizar uma dada função objetivo. Devido à tendência tecnológica dos setores de energia para usar equipamentos operando com pressões cada vez mais elevadas, análises estruturais são impostas ao projeto através de restrições de tensão. Assim, o principal objetivo é reduzir o vazamento em selos labirinto através de projetos alternativos fornecidos pela OT e validados contra falha mecânica. Para este fim, o presente trabalho propõe uma metodologia para resolver um problema de OT de interação fluido-estrutura que minimize o escoamento sujeito a restrições de tensão local. Os domínios fluido e estrutural são modelados separadamente e interagem através de suas interfaces, cuja localização de aplicação do carregamento (pressão do fluido) varia durante o processo de otimização. Para a representação da topologia, utiliza-se a abordagem de curvas de nível (level set) que é considerada apropriada para o problema em análise, uma vez que a fronteira encontra-se claramente definida. (AU)