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Master's Dissertation
Full name
Luís Fernando Nogueira de Sá
Knowledge Area
Date of Defense
São Paulo, 2016
Silva, Emilio Carlos Nelli (President)
Pavanello, Renato
Saenz, Juan Sergio Romero
Title in English
Topology optimization method applied to laminar flow machine rotor design.
Keywords in English
Centrifugal pumps
Finite element method
Fluid dynamics (Simulation)
Topology methods (Optimization)
Abstract in English
Flow machines are very important to industry, being widely used on various processes. Performance improvements are relevant factors and can be achieved by using optimization methods, such as topology optimization. Thus, this work aims to develop a method to design radial flow machine rotors operating on laminar regime, by implementing a topology optimization formulation based on density model. The design of a rotor involves firstly modelling the fluid flow by using the Navier-Stokes equations on a rotating reference frame and using the Finite Element Method for solving the differential equations. To determine the material distribution on the domain, a porous flow model based on the Darcy equation is employed by using an inverse permeability that interpolates between fluid and solid. In the optimization phase, it is defined a multi-objective function that aims to minimize the viscous energy dissipation, vorticity and power. The optimization problem is implemented using the FEniCS environment and the libraries dolfin-adjoint and pyIpopt. The optimized topologies are verified with the ANSYS software. The resulting topologies are post-processed and a CAD model is created. The rotors are manufactured by using a 3D printer, the complete prototype is built by coupling an electric brushless motor and an experimental characterization is performed by measuring fluid flow and pressure head given by the pumps. Experimental and computational results are compared and the improvement is verified.
Title in Portuguese
Método de otimização topológica aplicado ao projeto de rotores de máquinas de fluxo em regime laminar.
Keywords in Portuguese
Bombas centrígugas
Dinâmica dos fluídos (Simulaçao)
Método dos elementos finitos
Métodos topológicos (Otimização)
Abstract in Portuguese
Máquinas de fluxo são muito importantes para a indústria, sendo utilizadas em diversos processos. Assim, melhorias de desempenho são fatores relevantes e podem ser alcançadas com a utilização de métodos de otimização, como a otimização topológica. Este trabalho visa desenvolver uma metodologia para projetar rotores de máquinas de fluxo radiais que operam em escoamento laminar implementando-se a formulação de otimização topológica baseada no modelo de densidades. O projeto de rotores envolve, primeiramente, a modelagem do escoamento utilizando-se as equações de Navier-Stokes em um referencial rotativo e a utilização do Método de Elementos Finitos para a resolução das equações diferenciais. A distribuição de material no domínio é feita empregando-se um modelo de escoamento em meio poroso baseado nas equações de Darcy, utilizando-se a permeabilidade inversa que interpola o elemento entre sólido e fluido. Na fase de otimização é definida uma função multi-objetivo, que visa minimizar dissipação de energia viscosa, a vorticidade e a potência. O problema de otimização é implementado utilizando-se o ambiente FEniCS para a resolução do sistema de elementos finitos e as bibliotecas dolfin-adjoint e pyIpopt para o algorithmo de otimização. As topologias otimizadas são verificadas com o software ANSYS. As topologias resultantes são pós-processadas para a criação de um modelo CAD dos rotores. Os rotores são construídos utilizando-se a impressão 3D, o protótipo completo é montado acoplando-se um motor elétrico sem escovas e a caracterização experimental é feita medindo-se a vazão e o ganho de pressão dados pelas bombas. Por fim, os resultados experimentais e computacionais são comparados e uma melhoria de desempenho é observada.
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