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https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/15175
Tipo: | Tese |
Data do documento: | 22-Nov-2022 |
Autor(es): | PICANÇO, Hamilton Pessoa |
Afiliação do(s) Autor(es): | ANTAQ - Agência Nacional de Transportes Aquaviários |
Primeiro(a) Orientador(a): | VAZ, Jerson Rogério Pinheiro |
Segundo(a) Orientador(a): | LINS, Erb Ferreira |
Título: | Otimização geométrica de pás de turbinas hidrocinéticas cavitantes sob efeito difusor |
Citar como: | PICANÇO, Hamilton Pessoa. Otimização geométrica de pás de turbinas hidrocinéticas cavitantes sob efeito difusor. Orientador: Jerson Rogério Pinheiro Vaz. 2022. 107 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia) - Universidade Federal do Pará, Instituto de Tecnologia, Belém, 2022. Disponível em: http://repositorio.ufpa.br:8080/jspui/handle/2011/15175. Acesso em:. |
Resumo: | A tecnologia de difusores alocados em torno de rotores de turbinas hidrocinéticas objetiva melhorar a conversão da energia do fluido em potência mecânica, embora as pás de turbinas sob efeito difusor sejam suscetíveis à cavitação, o que pode comprometer o aumento da eficiência do sistema. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelo de otimização geométrica aplicado à pás de turbinas hidrocinéticas aumentadas por difusor. O modelo proposto leva em conta o possível surgimento de cavitação nas pás do rotor. A principal contribuição desta proposta de trabalho para o estado-da-arte é o desenvolvimento de um procedimento de otimização que considera os parâmetros da eficiência do difusor, ηd, e o empuxo no difusor, CT d, na formulação do problema. O modelo é baseado no Teoria do Elemento de Pá para a busca da geometria otimizada, resultante da distribuição das cordas e ângulos de torção que minimizem ou eliminem a ocorrência de cavitação. O critério do mínimo coeficiente de pressão é usado para avaliar a cavitação nas pás. Além disto, uma investigação por meio de Dinâmica dos Fluidos Computacional é conduzida para validar o modelo com base na formulação das Equações Médias de Navier-Stokes, usando o modelo κ-ω-SST de turbulência e o modelo de cavitação de Rayleigh-Plesset na geração de cavitação, conforme a produção de vapor de água nas pás. Tal metodologia foi aplicada no projeto de um rotor hidrocinético com diâmetro de 10m, potência nominal de 250 kW em uma corrente d’água de 2,5 m/s. Uma análise do modelo proposto com e sem difusor foi realizada a fim de avaliar a influência da cavitação em uma geometria otimizada em termos da distribuição de cordas e ângulos de torção ao longo da pá. Como resultado, verifica-se que a turbina hidrocinética aumentada por difusor dobra a ocorrência de cavitação quando comparada com a turbina sem difusor. Além disso, considerando o efeito do difusor, o modelo de otimização se mostra capaz de captar e permitir o ajuste da geometria das pás no sentido de remover a ocorrência de cavitação, sendo, portanto, uma boa alternativa para o projeto de turbinas hidrocinéticas com pás livres de cavitação. |
Abstract: | Diffuser technology placed around hydrokinetic rotors may improve the conversion of the fluid’s kinetic energy into shaft power. However, rotor blades are susceptible to the phenomenon of cavitation, which can impact the overall power efficiency. This paper presents the development of a new optimization model applied to hydrokinetic blades shrouded by a diffuser. The proposed geometry optimization takes into account the effect of cavitation inception on the rotor blades surface. The main contribution of this work to the state-of-the-art is the development of an optimization procedure that takes into account the effects of diffuser efficiency, ηd, and thrust, CT d. The model uses the Blade Element Momentum Theory to seek optimized blade geometry in order to minimize or even avoid the occurrence of cavitation. The minimum pressure coefficient is used as a criterion to avoid cavitation inception. Also, a Computational Fluid Dynamics investigation was carried out to validate the model based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes formulation, using the κ-ω Shear-Stress Transport turbulence and Rayleigh-Plesset models, to estimate cavitation by means of water vapor production. The methodology is applied to the design of a 10 m diameter hydrokinetic rotor, rated at 250 kW of output power at a flow velocity of 2.5 m/s. An analysis of the proposed model with and without a diffuser is carried out to evaluate the changes in the optimized geometry in terms of chord and twist angle distribution. It is found that the flow around a diffused-augmented hydrokinetic blade doubles the cavitation inception relative to the unshrouded case. Additionally, the proposed optimization model can completely remove the cavitation occurrence, making it a good alternative for the design of diffuser-augmented hydrokinetic blades free of cavitation. |
Palavras-chave: | Difusor Turbina hidrocinética Cavitação Otimização Dinâmica dos Fluidos Computacional Diffuser hydrokinetic turbine Cavitation Blade optimization Computational Fluid Dynamics. |
Área de Concentração: | USO E TRANSFORMAÇÃO DE RECURSOS NATURAIS |
Linha de Pesquisa: | MEIO AMBIENTE E ENERGIA |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal do Pará |
Sigla da Instituição: | UFPA |
Instituto: | Instituto de Tecnologia |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil |
Fonte: | 1 CD-ROM |
Aparece nas coleções: | Teses em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (Doutorado) - PRODERNA/ITEC |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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