André Kuyumjian Lane Mauricio satoshi karasawa Tamashiro

Apresentação em tema: "André Kuyumjian Lane Mauricio satoshi karasawa Tamashiro"— Transcrição da apresentação:

1 André Kuyumjian Lane Mauricio satoshi karasawa Tamashiro
EM974-Métodos Computacionais em Engenharia Térmica e Ambiental Uso de Difusores em Turbinas Hidrocinéticas e seu Impacto na Eficiência André Kuyumjian Lane Mauricio satoshi karasawa Tamashiro

2 Motivação Existe um grande incentivo na busca de geração de energia alternativa à utilização do petróleo A medida em que novas formas de geração de energia vão surgindo, há um incentivo para torna-las mais eficientes Máquinas axiais horizontais movidas a fluxo tem performance diretamente relacionada com a velocidade de escoamento.

3 Motivação Uma das formas de aumentar a velocidade do escoamento em uma turbina, seja ela eólica ou hidrocinética, é a implementação de um difusor.

4 Motivação Do ponto de vista econômico e construtivo, os difusores são componentes baratos e simples que podem melhorar a performance das turbinas onde estão instalados Baseado em estudos no mesmo sentido realizado em outros países, procurou-se validar, através da simulação numérica com uso do software PHOENICS, a utilização de difusores em máquinas de fluxo e seu impacto qualitativo O enfoque deste trabalho reside na avaliação da variação de velocidade do escoamento ocasionada pelo difusor, desconsiderando efeitos da presença da turbina

5 Modelo Físico No difusor há um desvio das linhas de corrente livre para seu interior Considerou-se um difusor de geometria particular: uma flange no plano de saída do escoamento.

6 Modelo Físico Esta simples modificação na geometria produz uma aceleração do escoamento no eixo central maior que a esperada de um difusor sem flange Isto ocorre devido a natureza fluidodinâmica do escoamento, em que a presença da aba ao final do escoamento ocasiona uma forte produção de vortex gerando uma região de baixa pressão o que aumenta o fluxo mássico através do plano da turbina

7 Modelo Físico Com a finalidade de diminuir o custo computacional e manter a qualidade dos resultados, propõe-se uma geometria bidimensional e axissimétrica para representar o difusor Geometria: Diâmetro da entrada do difusor: 𝐷=0,2𝑚 Largura da flange: ℎ=0,5𝐷=0,1𝑚 Comprimento do difusor: 𝐿=1,5𝐷=0,3𝑚 Inclinação na geometria do difusor 𝜑=4° Fluido do domínio: Ar atmosférico a 20°𝐶 Densidade: 𝜌=1,189 𝑘𝑔/ 𝑚 3 Viscosidade: 𝜈 =1,544∗10−5 𝑚2/𝑠 Velocidade livre: 𝑈 0 =5,0𝑚/𝑠 Número de Reynolds: 𝑅𝑒= 𝑈 0 𝐷 𝑣 ≅65000

8 Modelo Computacional Devido as características do estudo optou-se pela criação de uma malha do tipo BFC (Body Fitted Coordinates), com regiões (ou frames, denominados FN, com N=1~8) distintas no plano XY

9 Modelo Computacional Uma malha do tipo BFC é adequada para geometrias não regulares, permitindo uma boa representação e economia no refinamento da malha para regiões de interesse

10 Modelo Computacional O domínio implementado no software foi dividido em uma malha de 126 x 85 elementos

11 Modelo Computacional Refinou-se a malha nas regiões de interesse, onde é previsto maior mudança no comportamento do escoamento

12 Resultados Numéricos A simulação apresentou convergência relativamente rápida, em aproximadamente 1500 iterações Além disso demonstrou baixos resíduos globais, conforme indicado no arquivo RESULT

13 Resultados Numéricos Na representação da velocidade na direção X é possível perceber que o tamanho do domínio foi adequada para a geometria considerada

14 Resultados Numéricos Na distribuição da pressão é interessante notar a zona de baixa pressão criada no interior do difusor

15 Resultados numéricos Conforme previsto, nas proximidades do difusor há um estrangulamento das linhas de corrente, além da região de formação de vortex e consequente baixa pressão na saída.

16 Resultados Numéricos Analisando as variáveis de resíduo para velocidades (RESU e RESV) e pressão (RESP) encontram-se no corpo do difusor e tem valores desprezíveis Ativou-se a solução para distância adimensional (YPLS) para verificar se a escolha do número de elementos foi adequada, para isto o valor deve ser menor que 200, o que foi verificado

17 Análise dos Resultados
A partir dos resultados é possível investigar a variável de interesse (velocidade na direção X) ao longo do eixo central (𝑟=0) e comparar com resultados de trabalhos experimentais Comparou-se três curvas de aumento de velocidade (𝑈/ 𝑈 0 ) versus posição (𝑥/𝐷): a previsão e o experimental do estudo de Ohya e o resultado deste trabalho O maior ganho de velocidade é 𝑈 𝑈 0 =1,603 ocorrendo na posição 𝑥 𝐷 =0,4

18 Análise dos Resultados
Com a simulação para aplicação eólica validada, foi possível explorar a aplicação de difusores para turbinas hidrocinéticas considerando as modificações na dimensão da turbina (𝐷=0,6𝑚) e características do fluído (água a 20°C) bem como velocidade típica para um rio Amazônico Para água a 20°C as propriedades do escoamento consideradas foram: Densidade: 𝜌 = 998,23 𝑘𝑔 𝑚3 Viscosidade: 𝜈 =1,006∗ 10 −6 𝑚2/𝑠 Velocidade livre típica: 𝑈0 = 1,0 𝑚 𝑠 Número de Reynolds: 𝑅𝑒= 𝑈 0 𝐷 𝑣 ≅600000 Para efeito de comparação, foi feita uma simulação para escoamento com 𝑅𝑒=20000 É interessante notar que o comportamento do fluído não sofre alterações significativas com diferentes Números de Reynolds no interior do difusor

19 Análise dos Resultados
Por fim, foi simulado o escoamento para diferentes tamanhos de flange do difusor e observou-se o impacto na variável de estudo (𝑈/𝑈0), mantendo-se as demais variáveis constantes. Foram computados os resultados para diferentes valores de ℎ/𝐷: 0,5, 0,25, 0,15 e 0 Nota-se que a presença da flange tem influências significativas sobre a velocidade de escoamento (curvas azul, verde e vermelha) com ganho máximo 𝑈 𝑚á𝑥 /𝑈0: 1,60; 1,51 e 1,44 respectivamente em comparação com o difusor sem flange (curva laranja) Ainda assim, somente o difusor sem flange já demonstra um certo ganho de velocidade para o escoamento. Para este caso, o máximo 𝑈/𝑈0 = 1,172 ocorre em 𝑥/𝐷 = 0,2

20 Conclusões A validação e estudo de uma importante variável nos sistemas de geração de energia por escoamento de fluido (a velocidade axial) foi executada com sucesso, sendo observado uma íntima relação entre a simulação no PHOENICS e os resultados experimentais apresentados na literatura A partir do conceito de que a potência gerada por uma turbina eólica ou hidrocinética é proporcional ao cubo da velocidade axial do escoamento, conclui-se que a aplicação do difusor tem um grande impacto na eficiência energética Um local de potencial posicionamento da turbina no interior do difusor com a geometria estudada é no ponto 𝑥 𝐷 =0,4, onde a maior velocidade axial ocorre