Método de otimização topológica considerando escoamento compressível turbulento e interação fluido-estrutura no projeto de selos labirintos

Resumo

Este trabalho se insere no escopo do projeto temático Brasil Research Centre for Greenhouse Gas Innovation (RCG2I) (BG E&P Brasil (Shell) - CPE), proc. FAPESP nº 2020/15230-5 (05/2021 a 04/2026). O centro, baseado na Universidade de São Paulo, é fruto de parceria com a FAPESP no apoio de pesquisa científica de alto nível para o estudo da utilização e aplicações envolvendo Gases de Efeito Estufa (GEE), como metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). A eficiência no transporte de GEE através de compressores deve ser melhorada, e nesse sentido, os pesquisadores do RCGI envolvidos estão aplicando análises numéricas e métodos de otimização para melhorar o desempenho de componentes do compressor como por exemplo, o selo labirinto e o impelidor. Em particular, a otimização da junta labirinto permite reduzir o vazamento de GEE, contribuindo com a redução das emissões de CO2. A Otimização Topológica (OT) está ganhando cada vez mais espaço em projetos industriais onde se busca o equilíbrio entre a maximização do desempenho e reduzindo de custos. Essa ferramenta surgiu na Engenharia para melhorar os projetos de sistemas mecânicos e possui alta liberdade quando comparada às otimizações de forma e paramétrica, o que permite que soluções não intuitivas sejam geradas a partir de domínios iniciais determinados. Com o avanço das tecnologias de manufatura aditiva, nos últimos anos, ficou possível fabricar os projetos complexos criados pelo método de otimização topológica, tornando esse método mais relevante e presente em diferentes áreas da Engenharia, incluindo máquinas de fluxo. No projeto de componentes de máquina de fluxo é necessário incluir no problema de otimização topológica a compressibilidade e turbulência do escoamento, bem como a frequência de ressonância considerando o acoplamento fluido-estrutura. Assim, neste trabalho, o método de otimização topológica será aplicado no projeto de selos labirintos sujeitos a escoamento rotativo compressível subsônico turbulento, considerando uma restrição de frequência de ressonância baseada no acoplamento fluido-estrutura. Será inicialmente considerado um modelo de gás perfeito e desenvolvida uma formulação de otimização topológica que considera turbulência para escoamento compressível subsônico baseada na abordagem TOBS (Topology Optimization of Binary Structures), que utiliza variáveis binárias, permitindo uma definição clara da interface sólido-fluido. A função multi-objetivo escolhida visa maximizar a perda de pressão, ou dissipação de energia pelo fluido, maximizando a vorticidade e a geração de entropia. O Método dos Elementos Finitos (MEF) será empregado na resolução das equações de equilíbrio. Os resultados a serem apresentados serão o projeto de um selo labirinto otimizado para operação em regime compressível subsônico e turbulento considerando uma restrição de frequência de ressonância baseada no acoplamento fluido-estrutura. Os resultados obtidos poderão ser fabricados por técnicas de manufatura aditiva em impressora 3D. (AU)