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Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto conceitual de turbinas Pelton, onde as configurações ou dimensões são determinadas em função da condição de carga nominal. Para a determinação da energia e eficiência hidráulica da turbina, são introduzidas as perdas em termos de energia específica, sendo posteriormente consideradas as fugas e as perdas mecânicas. Esta metodologia permite obter as coordenadas espaciais que representam a superfície côncava da concha. Os resultados preliminares do projeto são comparados com um modelo numérico em regime transiente (CFD), procedimentos e metodologias para a simulação são apresentados em detalhes, como a construção da malha no domínio não inercial, representado por cinco conchas e interfaces de mistura deslizantes entre os domínios inerciais e não inercial. Os modelos multifásico, VOF e turbulência k-ω / SST foram selecionados considerando valores de passo tempo em torno de 0,000185 s., a fim de representar o torque instantâneo resultante da interação entre as conchas e o jato. Resultados da simulação foram estendidos para analises da eficiência hidráulica, no ponto de projeto e em carga parcial. This work presents a methodology for the conceptual design of Pelton turbines, where configurations or dimensions are determined as a function of the nominal load condition. To determine the energy and hydraulic efficiency of the turbine, losses in terms of specific energy are introduced, and leakage and mechanical losses are then considered. This methodology allows obtaining the spatial coordinates that represent the concave surface of the bucket. The preliminary results of the project are compared with a numerical model in transient regime (CFD), procedures and methodologies for the simulation are presented in details, such as the construction of the mesh in the non-inertial domain, represented by five buckets and sliding mixing interfaces between the inertial and non-inertial domains. The multiphase, VOF and turbulence k-ω / SST models were selected considering step time values around 0.000185 s., in order to represent the instantaneous torque resulting from the interaction between the buckets and the jet. Simulation results were extended to analysis of hydraulic efficiency, at the design point and at part load.

Agência 1 Esse trabalho apresenta um procedimento de otimização através da variação da curva de sweep de uma Turbina Eólica de Eixo Horizontal de duas pás, previamente ensaiada pelo laboratório estadunidense denominado National Renewable Energy Laboratory (NREL). A metodologia utilizada para realizar a simulação numérica foi: uso de malha não estruturada em todo o domínio, regime permanente, com dois referenciais, sendo um não inercial no domínio do rotor, e um inercial no campo distante, modelo de turbulência − , o esquema de discretização do momento foi o de primeira ordem a montante, algoritmo de acoplamento SIMPLE. Foi realizado critério de independência de malha, e também validação através da comparação com dados experimentais do momento da pá, tendo concluído que a metodologia foi validada para velocidades de vento entre 5 m/s e 16 m/s. Posteriormente , foi realizada uma integração de processos de geração de geometria, malha e simulação numérica, para otimizar o coeficiente de potência, através da introdução do ângulo de sweep nas pás, sendo variados o expoente da curva, a posição radial de início da curvatura e o deslocamento máximo da ponta da pá durante o processo de otimização. Este processo foi feito utilizando p algoritmo NSGA-II, que é uma modificação do Algoritmo Genético, com o coeficiente de potência () sendo a função objetivo. No processo, foi possível obter duas geometrias otimizadas para a pá, sendo uma com sweep para frente, que resultou em um aumento de 4,58% no , e outra com sweep para trás, que resultou em um aumento de 5,62% no para velocidade de vento de 11 m/s, que consistiu no ponto mais alto da região estável. Também foi construído um metamodelo para, tentar conseguir um ótimo ainda melhor de maneira rápida, e que permitiu a obtenção de uma turbina com 5,93% mais do que a original. Além disso, as geometrias otimizadas forneceram um aumento do coeficiente de potência para toda a faixa de operação entre 10 m/s e 15 m/s. This work presents an optimization procedure through the variation of the sweep curve of a two bladed Horizontal Axis Wind Turbine, previously tested by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The simulation was conducted using unstructured mesh on whole domain, steady state with multiple reference frames: a moving reference frame around the rotor, and a steady reference frame on the far field region. The turbulence model was the − , the coupling algorithm was the SIMPLE, and the discretization scheme was the first order upwind for the moment. It was also conducted a grid indepence study and a validation with experimental data from NREL Phase VI, using the moment as the control variable, whereby it was concluded that the numerical method was validated for a range of wind speeds from 5 m/s to 16 m/s. In addition, it has been also made an integration of processes of geometry generation, mesh generation and simulation, aiming to optimize the power coefficient of the blades, by means of introducing the sweep angle on the geometry of the blades. The parameters of sweep, such as radial position of sweep start, maximum displacement of the tip and the exponent of the curve, were chosen as the design variables, and varied during the optimization process through genetic algorithm, with the power coefficient being the objective function. As a result of the optimization process, it was possible to obtain two optimized geometries for the blade, one with forward sweep with an increase of 4,49% on the power coefficient; and another one with backward sweep, which has resulted in an increase of 5,62% on power coefficient. Both cases were tested for a wind speed of 11 m/s, which was the speed with the highest moment within the stable range of operation. Furthermore, it was built a metamodel, aiming to fastly get a better optimum point. The optimization with metamodel has yielded a turbine with 5,93% more in comparison with the baseline turbine. Moreover, both geometries yielded greater power coefficients for all wind speeds between 10 m/s and 15 m/s.

Agência 1 A busca por geração sustentável de eletricidade cresce com o aumento da demanda concomitante à consciência da influência humana nas mudanças climáticas. Esse é um marco da transição energética, que objetiva redução dos impactos ambientais e do uso de combustíveis fósseis, mantendo a segurança energética. A eletricidade é uma forma de energia relativamente fácil de ser transportada e transformada, mas que ainda é de difícil acesso por parte da população. Nesse contexto, interessa o desenvolvimento de turbinas hidrocinéticas, que transformam a energia cinética de um escoamento fluvial ou oceânico em potência de eixo e acionam um gerador. Em contraste com turbinas hidráulicas convencionais, essas turbinas não exigem barragens, operam fluxo livre. No trabalho propõe-se, primeiramente, uma classificação em níveis de maturidade tecnológica com definições adaptadas a turbinas hidrocinéticas – esse tipo de classificação tem o objetivo de validação técnica pragmática e redução de custos em projetos de pesquisa de engenharia. A segunda proposta do trabalho é o estudo de caso, em que é feita a modelagem numérica de uma turbina hidrocinética, inicialmente projetada para aplicação fluvial unidirecional, operando em regime de marés com escoamento em dois sentidos intermitentes. Para as simulações foi utilizado o software comercial de fluidodinâmica computacional ANSYS CFX® na solução numérica de grandezas locais e globais para análise da influência do projeto da pá no rendimento da máquina. As turbinas hidrocinéticas podem ser aplicadas a pequenos sistemas para eletrificação de vilarejos, sendo o custo o principal limitante desses projetos; ou a grandes sistemas, geralmente compostos por parques com diversos rotores, cuja viabilidade depende fortemente do rendimento da turbina. Manter a matriz elétrica brasileira predominantemente renovável é um desafio de interesse estratégico para sua sustentabilidade e que gera oportunidades para o fomento do mercado de turbinas hidrocinéticas. Mundialmente essa ainda não é uma tecnologia consolidada, possibilitando o desenvolvimento tecnológico nacional de novos modelos de turbina. An increase in the demand for sustainable electricity generation can be seen as the knowledge about the human influence on global warming expands associated with an increase in the world electricity demand. This characterizes the energy transition, seeking to reduce both environmental impacts and fossil fuels use, while keeping the energy security. It is relatively easy to transport and transform the electrical form of energy, but there is still a lack of access to electricity in many regions around the world. In this context, the development of hydrokinetic turbines can be valuable. This type of turbine transforms the kinetic energy of a river or ocean water flow into shaft power, that starts a generator. In contrast to conventional hydraulic turbomachines, these turbines do not require dams, as they are free flow turbines. To define strategies for the study of hydrokinetic turbines, the steps for classification in Technology Readiness Levels are proposed. This management tool is often used with the aim of technical validation and cost reduction in engineering projects. One study case was also carried out. Numerical modeling was conducted to study a hydrokinetic turbine operating in tidal regime, with flow in two opposite orientations intermittently. The ANSYS CFX® software was used to numerically solve local and global quantities that were used to analyze the blade project influence on the machine efficiency with a computational fluid dynamics approach. Hydrokinetic turbines can be used in small systems for electrification of villages or in farms with many turbines to achieve a higher installed power. In the first example, costs are limiting in the projects, while for large systems the efficiency usually defines the viability. The challenges for sustainable electricity generation increase the opportunities for development of new hydrokinetic turbines market. That can be beneficial to Brazil, the country already has a large participation of renewable sources for electricity generation but has challenges to keep this attribute. Hydrokinetic turbines are not a completely consolidated technology, therefore there is an opportunity for the development of new turbine models.

Agência 1 Azevedo, T. M. (2020): Sob a modalidade de máquinas motoras, as turbinas hidráulicas axiais possuem grande aplicação no Brasil e no mundo para geração de energia elétrica; desse modo, torna-se fundamental para o dimensionamento dessas máquinas, entender as características, os critérios de funcionamento e aplicação caso a caso. Assim, o objetivo deste trabalho tem por base desenvolver um projeto preliminar de uma turbina hidráulica axial, por meio das teorias de grade, de asa de sustentação, de vórtice potencial e equilíbrio radial, de modo a serem analisados sob os métodos numéricos e de ensaios experimentais. Desse modo, usando as teorias clássicas, desenvolveu-se um projeto preliminar do rotor considerando uma distribuição de energia específica constante desde o cubo até a ponta da pá resultando em diferentes ângulos de montagem de pás. O sistema diretor foi projetado para a velocidade relativa estar alinhada com a pá do rotor, baseando-se pela composição dos triângulos de velocidades na entrada do rotor, para todas as posições radiais do cubo até a ponta da pá. Com o uso da prototipagem, fabricou-se o modelo em plástico ABS, montado na bancada de ensaios do LHPCH, considerando as grandezas independes de H, Q e rotação, dentre os valores de nqA correspondentes a rotores axiais. Para as análises numéricas, foram feitas as discretizações dos domínios, inercial e não inercial, com malhas estruturadas, não estruturadas e híbridas. Para a solução das equações RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) foi utilizado o modelo de turbulência k-ω SST. Assim, foram levantadas as curvas características de funcionamento da turbina atendendo critérios de convergência e independência de malha. Em contrapartida, foram feitas as análises experimentais utilizando um freio de cinta para manter a rotação constante, com variação da vazão e altura de queda, permitindo levantar as curvas características experimentais. Por fim, foram feitas as comparações entre as curvas características e as curvas de rendimento da máquina para ambas metodologias, e mesmo apresentando uma pequena divergência de valores, foi possível validar tanto o projeto preliminar, como as metodologias utilizadas neste trabalho. Azevedo, T. M. (2020): Considering the modality of motor machines, axial hydraulic turbines are widely used in Brazil and worldwide for hydropower generation; thus, it becomes essential to dimension these machines, to understand its characteristics, operational criteria and application on a case-to-case basis. Consequently, the objective of this work is based on developing a preliminary design of an axial hydraulic turbine, using the theories of grid, wing lift, potential vortex and radial balance, in order to analyze the project under the numerical and experimental methods. Therefore, using classic theories, a rotor preliminary design was developed considering a constant specific energy distribution from the hub to tip of blade resulting in different blade assembly angles. The distributor system was designed for the relative velocity to be aligned with the rotor blade, based on the composition of the velocity triangles at the rotor inlet, for all the radial positions of the hub to tip of blade. In addition, it was use made a prototype manufactured in ABS plastic, assembled on the LHPCH test bench, considering the independent quantities of H, Q and rotation, among the nqA values corresponding to axial rotors. For the numerical analyzes, the domains, inertial and non-inertial, were discretized with structured, unstructured and hybrid meshes. For the solution of the RANS equations (Reynolds Averaged Navier Stokes) k-ω SST turbulence model was used. Thus, the characteristic curves of the turbine's operation were developed, meeting the criteria of convergence and mesh independence. On the other hand, experimental analyzes were carried out using a belt brake to keep the rotation constant, with variation in flow and head, allowing to elicit experimental characteristic curves. Finally, comparisons were made between the characteristic curves and efficiency curves for both methodologies, and even with a small divergence of values, it was possible to validate both, the preliminary design and the methodologies used in this Master's thesis

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Em várias situações práticas existem escoamentos viscosos e incompressíveis através de espaços anulares cilíndricos, sendo estes resultantes da rotação de um dos cilindros ou ambos (escoamento de Taylor-Couette), ou pela superposição da rotação com um movimento imposto na direção axial (escoamentos de Taylor-Couette-Poiseuille ou Taylor-Couette espiral). São exemplos escoamentos em reatores químicos, mancais e devido a perfuração de poços de petróleo e gás. O desenvolvimento de uma plataforma numérica robusta capaz de simular estes tipos de escoamentos além de problemas clássicos de mecânica dos fluidos é o objetivo geral deste trabalho. Com isso, buscou-se realizar adequações em uma plataforma numérica já existente para que problemas clássicos como cavidade tridimensional, escoamento entre placas planas e paralelas, canal cilíndrico, canal cilíndrico anular e problemas simplificados aplicados à engenharia de perfuração pudessem ser estudados e caracterizados. Todos os problemas foram resolvidos através da solução numérica das equações de Navier-Stokes e conservação de massa, sendo a discretização espacial feita pelo Método dos Volumes Finitos e a discretização temporal pelo método de Adams-Bashforth. Para os problemas com interação fluido-estrutura utilizou-se o método da fronteira imersa, onde a distribuição e interpolação das variáveis são feitas através de Reconstrução por Mínimos Quadrados Móveis (MLS). Os resultados obtidos são apresentados na forma qualitativa e quantitativa, através de tabelas, gráficos, diagramas de cores para campos escalares, campos vetoriais e linhas de corrente, os quais são comparados com trabalhos da literatura apresentando sempre uma boa concordância. In several practical situations there are viscous and incompressible flows through cylindrical annular spaces either resulting from the rotation of one of the cylinders or both (Taylor-Couette flow), or by superposition of the rotation with a movement imposed in the axial direction (flows of Taylor-Couette-Poiseuile or Taylor-Couette spiral). Examples are flows in chemical reactors, bearings and due to drilling of oil and gas wells. The development of a robust numerical platform capable of simulating these types of flows besides classical problems of fluid mechanics is the general objective of this work. Therefore, it was tried to make adjustments in an existing numerical platform so that classic problems such as three-dimensional lid-driven cavity, flow between flat and parallel plates, cylindrical channel, annular cylindrical channel and simplified drilling engineering problems could be studied and characterized. All problems were solved through the numerical solution of the Navier-Stokes equations and mass conservation, with spatial discretization made by the Finite Volume Method and time discretization by the AdamsBashforth method. For the problems with fluid-structure interaction, the immersed boundary method was used, where the distribution and interpolation of the variables are made through Reconstruction by Mobile Least Squares (MLS). The results obtained are presented in qualitative and quantitative form, through tables, graphs, color diagrams for scalar fields, vector fields and streamlines, which are compared with papers in the literature always showing a good agreement. Dissertação (Mestrado)