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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-0095-3648
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes
Alternate title (s): Numerical simulation and optimization of hydraulic efficiency and mechanical power of the Archimedes screw turbine
Author: Reis, Maurício Guilherme Alves dos
First Advisor: Rodrigues, Solidônio Rodrigues de
First member of the Committee: Lobato, Fran Sérgio
Second member of the Committee: Souza, Francisco José de
Third member of the Committee: Martinez, Carlos Barreira
Fourth member of the Committee: Brasil Junior, Antônio Cesar Pinho
Summary: O propósito deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. Para isso, utilizou-se dinâmica de fluidos computacional juntamente com modelos analíticos e empíricos para se calcular os parâmetros de interesse da turbina. Um algoritmo computacional foi desenvolvido através da linguagem Python que, por sua vez, executa os softwares SALOME, OpenFOAM e o método BOBYQA, o qual consiste em aproximações iterativas da função objetivo por meio de curvas quadráticas. As equações analíticas e empíricas empregadas foram derivadas de modelos existentes na literatura e aplicadas na determinação do vazamento pelas frestas entre as pás móveis e a calha fixa da turbina. A simulação numérica desse tipo de vazamento exige grande refinamento localizado, devido à alta razão entre o diâmetro das pás e a largura da fresta. Assim, durante as simulações numéricas as frestas foram desconsideradas do domínio computacional e, para corrigir as soluções, subtraiu-se o vazamento pré-estimado da vazão total da turbina. Primeiramente, foram validados os resultados referentes ao vazamento por frestas, os quais apresentaram boa concordância com dados da literatura. Um estudo de caso permitiu ajustar as curvas desse vazamento em função do diâmetro da turbina de Arquimedes. Concluiu-se que a perda de eficiência devido a esse efeito foi mais significativa em turbinas com menores diâmetros e com maiores inclinações. As potências mecânicas e as eficiências hidráulicas calculadas nas simulações numéricas da turbina de Arquimedes foram próximas de dados numéricos e experimentais existentes na literatura. Observou-se que a perda de potência por efeitos viscosos aumentou em altas rotações. Além disso, o aumento da rotação também reduziu o preenchimento da turbina, causando refluxos na descarga e perda de eficiência. Por outro lado, baixas rotações elevaram o preenchimento e causaram perdas por sobrepreenchimento. As otimizações com uma variável necessitaram de até sete iterações para determinar pontos ótimos e as multiparamétricas, até quatorze iterações. A maior eficiência hidráulica determinada foi de 88,2%. Observou-se também que as maiores eficiências hidráulicas ocorreram em níveis de preenchimento próximos a 40% na entrada do parafuso. Em tais condições, os vazamentos por sobrepreenchimento foram eliminados ou reduzidos, o que contribuiu para o aumento da eficiência da turbina de Arquimedes.
Abstract: The purpose of this work is to develop a methodology to optimize the hydraulic efficiency and the mechanical power of the Archimedes screw turbine. For that, the computational fluid dynamics are used together with analytical and empirical models to calculate the turbine output parameters. A computational algorithm was developed using the Python language, which, in turn, runs the softwares SALOME, OpenFOAM, and the BOBYQA method. The BOBYQA method consists of iterative approximations of the objective function through quadratic curves. The analytical and empirical equations used are derived from existing models in the literature and are applied in the determination of gap leakage. Because the numerical simulation of gap leakage requires great localized refinement due to the high ratio between the diameter of the blades and the width of the gap. Thus, the existence of gaps is disregarded in the computational domain during the numerical simulations of the Archimedes screw turbine. To correct the solutions, gap leakage is subtracted from the total flow through the turbine. First, the results of simulations of gap leakage were validated, which showed good agreement with data from the literature. A case study allowed for adjusting gap leakage curves depending on the diameter of the Archimedes turbine, which can be used in equipment design. It was concluded that turbines with more blades have less gap leakage and that the loss of efficiency due to that effect is more significant in turbines with smaller diameters and with greater inclinations. The mechanical powers and hydraulic efficiencies calculated in the numerical simulations of the Archimedes screw turbine were close to numerical and experimental data in the literature. It was observed that the loss of power due to viscous effects increases at high speeds. The increase in speed also reduces the filling of the turbine, which can cause reflux in the discharge and loss of efficiency. On the other hand, low speeds tend to increase filling and cause losses due to overfilling leakage. One-variable optimization required up to seven iterations to find optimum points and multi-parameters optimization required up to fourteen iterations. The highest hydraulic efficiency determined was 88.2%. It was also observed that the highest hydraulic efficiencies occurred at filling levels close to 40% at the screw inlet, since overfilling leakage is eliminated or reduced in this condition, which considerably influences the efficiency of the Archimedes screw turbine.
Keywords: Turbina de Arquimedes
Escoamento Multifásico
OpenFOAM
Otimização
Archimedes screw turbine. Multiphase flow. OpenFOAM. Optimization.
Archimedes screw turbine.
Multiphase flow
OpenFOAM
Optimization
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA
Subject: Engenharia mecânica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: REIS, Maurício Guilherme Alves dos. Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. 2021. 165 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32847
Date of defense: 7-Jul-2021
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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