Projeto de dispositivos de microcanais utilizando o método de otimização topológica [thesis]

Adriano Akio Koga
por todas as importantes orientações recebidas durante a realização deste trabalho, por todo o apoio, paciência e pela motivação inspirada a todos os seus alunos, no desenvolvimento de nossas carreiras acadêmicas. Agradeço à minha mãe, Teiko Hiraoka Koga, por todo o carinho e dedicação, durante todos estes anos, e por todo o apoio em todos os momentos da minha vida. Aos meus irmãos, Marcos e Márcia por todos os momentos de convivência. Aos meus tios e tias, primos e avó, por todo o apoio e
more » ... tivo que sempre recebi durante toda a vida. Aos meus grandes amigos, de todos os momentos, do colégio, que sempre estavam presentes nos momentos difíceis. Aos meus amigos "culturais", com quem tive o prazer de desfrutar tantos momentos de diversão e amizade. Aos meus amigos de graduação, por toda amizade e companheirismo ao longo de toda essa longa jornada. Aos amigos do Aerodesign, com quem pude aprender e crescer muito. Aos amigos da pós-graduação, por todo o apoio e amizade ao longo destes anos de trabalho, e pelos momentos de descontração. Ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro deste trabalho, através da bolsa de mestrado concedida. E por fim, a todos aqueles que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho. RESUMO Este trabalho propõe o estudo do projeto de dispositivos baseados em microcanais de fluido, tais como difusores, misturadores, válvulas, e trocadores de calor, através da aplicação do Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método computacional que permite obter um projeto otimizado de um sistema, através da distribuição de uma quantidade limitada de material num dado domínio de projeto. Neste caso, o MOT é aplicado a um domínio fluido, e permite obter a topologia otimizada (formato ótimo) dos microcanais, segundo uma determinada característica, seja esta, a minimização da perda de carga, ou a maximização da velocidade num dado ponto, ou ainda a maximização da troca de calor, no caso de trocadores de calor. Os canais utilizados nestas aplicações operam com baixo número de Reynolds, sendo um caso típico da aplicação das equações de escoamento de Stokes. A implementação do MOT é realizada sob a forma de rotinas computacionais, permitindo um projeto sistematizado dos canais. No processo de otimização, utiliza-se o Método dos Elementos Finitos (MEF) como método de análise dos fenômenos físicos envolvidos, e a Programação Linear Seqüencial (PLS) como algoritmo de otimização. Ao final, propõe-se um estudo multi-físico, aliando-se características otimizadas tanto do ponto de vista da eficiência do escoamento, quanto do ponto de vista da dissipação térmica no canal, combinando-os através de uma função multi-objetivo. Exemplos de projeto bidimensionais de dispositivos de fluido são apresentados para ilustrar o método. Palavras-chave: Microcanais, Otimização Topológica, Escoamento de Stokes, Trocadores de Calor, Programação Linear, Método dos Elementos Finitos, Dispositivos de escoamento fluido. ABSTRACT This work proposes studying the design of micro channel devices, such as fluid diffusers, mixers, valves, and heat exchangers, through the application of the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a computational method that allows the distribution of a limited amount of material, inside a given design domain, in order to obtain an optimized system design. Herein, the TOM is applied to a fluidic domain, allowing the design of an optimized microchannel topology (optimal configuration), according to a given objective function, such as head loss minimization, maximum velocity in a given direction, or the heat transfer maximization, in a heat exchanger example. Especially this kind of channel devices, operates at low Reynolds number, thus, it can be modeled through Stokes flow equations. The optimization procedure applies the Finite Element Method (FEM) to perform the physical analysis, and Sequential Linear Programming (SLP) as the optimization algorithm. At the end, a multi-physics analysis is proposed, through a multi-objective cost function, that combines both flow and heat dissipation efficiency optimization. Two-dimensional designs of fluidic devices are presented as examples to illustrate the method.
doi:10.11606/d.3.2010.tde-01092011-160125 fatcat:4gbatlxhqnh3rnoslb7ml7krh4