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ORCID:  http://orcid.org/0009-0008-6796-3131
Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem Computacional de Escoamentos em Turbinas Francis Usando a Plataforma OpenFOAM
Author: Pereira, Vitor Eduardo
First Advisor: Silveira Neto, Aristeu da
First coorientator: Barbi, Franco
First member of the Committee: Padilla, Elie Luis Martínez
Second member of the Committee: Corrêa, Rafaela Gomide
Third member of the Committee: Silva, Thiago Assis da
Summary: Neste trabalho apresenta-se a modelagem e simulações computacionais de escoamentos incompressíveis turbulento em uma turbina Francis de geometria real, baseada na unidade da Usina Hidrelétrica Foz do Chapecó, utilizando o software OpenFOAM. É desenvolvido um modelo físico representativo da máquina, formulado o modelo matemático-diferencial a partir das equações de Navier-Stokes na forma URANS com modelo de turbulência k–ε. A partir das simulações, analisam-se qualitativamente os campos de pressão e de velocidade, verificando-se comportamento coerente com o esperado para turbinas Francis e com resultados de referência da literatura. Em seguida, são avaliadas duas abordagens para a estimativa da potência no eixo: uma baseada na Primeira Lei da Termodinâmica, utilizando grandezas médias em seções de entrada e saída, e outra a partir do momento no rotor calculado pela função forces do OpenFOAM. Obtêm-se potências de aproximadamente 170,61 MW e 107 MW, respectivamente, valores inferiores à potência de projeto da unidade 212 MW, o que é discutido à luz das simplificações geométricas, das condições de contorno adotadas e das limitações do modelo de turbulência. Os resultados demonstram o potencial da Dinâmica dos Fluidos Computacional como ferramenta de análise em turbinas hidráulicas, ao mesmo tempo em que evidenciam a importância de uma modelagem cuidadosa para a obtenção de previsões quantitativas mais próximas do comportamento real.
Abstract: This work presents the modeling and numerical simulation of incompressible turbulent flow in a Francis turbine with a real geometry, based on the unit installed at the Foz do Chapecó Hydropower Plant, using the OpenFOAM software. A representative physical model of the machine is developed, the mathematical model is formulated from the Navier--Stokes equations in the URANS form with the k–ε turbulence model. From the simulations, pressure and velocity fields are qualitatively analyzed, showing behavior consistent with that expected for Francis turbines and with reference results from the literature. Then, two approaches are used to estimate the shaft power: one based on the First Law of Thermodynamics, using averaged quantities at the inlet and outlet sections, and another based on the rotor moment computed by the forces function of OpenFOAM. Powers of approximately 170.61 MW and 107 MW are obtained, respectively, both lower than the design power of the unit 212 MW, which is discussed in terms of geometric simplifications, boundary conditions and turbulence modeling limitations. The results demonstrate the potential of Computational Fluid Dynamics as an analysis tool for hydraulic turbines, while highlighting the importance of careful modeling to achieve quantitative predictions closer to the real behavior.
Keywords: Turbina Francis
Francis turbine
CFD
OpenFOAM
URANS
potência hidráulica
hydraulic power
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::ELEMENTOS DE MAQUINAS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::MAQUINAS, MOTORES E EQUIPAMENTOS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: PEREIRA, Vitor Eduardo. Modelagem Computacional de Escoamentos em Turbinas Francis Usando a Plataforma OpenFOAM. 2025. 60 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48067
Date of defense: 19-Dec-2025
Appears in Collections:TCC - Engenharia Mecânica

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