Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes
Autor(a) principal: | |
---|---|
Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32847 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286 |
Resumo: | The purpose of this work is to develop a methodology to optimize the hydraulic efficiency and the mechanical power of the Archimedes screw turbine. For that, the computational fluid dynamics are used together with analytical and empirical models to calculate the turbine output parameters. A computational algorithm was developed using the Python language, which, in turn, runs the softwares SALOME, OpenFOAM, and the BOBYQA method. The BOBYQA method consists of iterative approximations of the objective function through quadratic curves. The analytical and empirical equations used are derived from existing models in the literature and are applied in the determination of gap leakage. Because the numerical simulation of gap leakage requires great localized refinement due to the high ratio between the diameter of the blades and the width of the gap. Thus, the existence of gaps is disregarded in the computational domain during the numerical simulations of the Archimedes screw turbine. To correct the solutions, gap leakage is subtracted from the total flow through the turbine. First, the results of simulations of gap leakage were validated, which showed good agreement with data from the literature. A case study allowed for adjusting gap leakage curves depending on the diameter of the Archimedes turbine, which can be used in equipment design. It was concluded that turbines with more blades have less gap leakage and that the loss of efficiency due to that effect is more significant in turbines with smaller diameters and with greater inclinations. The mechanical powers and hydraulic efficiencies calculated in the numerical simulations of the Archimedes screw turbine were close to numerical and experimental data in the literature. It was observed that the loss of power due to viscous effects increases at high speeds. The increase in speed also reduces the filling of the turbine, which can cause reflux in the discharge and loss of efficiency. On the other hand, low speeds tend to increase filling and cause losses due to overfilling leakage. One-variable optimization required up to seven iterations to find optimum points and multi-parameters optimization required up to fourteen iterations. The highest hydraulic efficiency determined was 88.2%. It was also observed that the highest hydraulic efficiencies occurred at filling levels close to 40% at the screw inlet, since overfilling leakage is eliminated or reduced in this condition, which considerably influences the efficiency of the Archimedes screw turbine. |
id |
UFU_99827cd4446cd2182705cb178407e2ce |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:repositorio.ufu.br:123456789/32847 |
network_acronym_str |
UFU |
network_name_str |
Repositório Institucional da UFU |
repository_id_str |
|
spelling |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de ArquimedesNumerical simulation and optimization of hydraulic efficiency and mechanical power of the Archimedes screw turbineTurbina de ArquimedesEscoamento MultifásicoOpenFOAMOtimizaçãoArchimedes screw turbine. Multiphase flow. OpenFOAM. Optimization.Archimedes screw turbine.Multiphase flowOpenFOAMOptimizationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIAEngenharia mecânicaThe purpose of this work is to develop a methodology to optimize the hydraulic efficiency and the mechanical power of the Archimedes screw turbine. For that, the computational fluid dynamics are used together with analytical and empirical models to calculate the turbine output parameters. A computational algorithm was developed using the Python language, which, in turn, runs the softwares SALOME, OpenFOAM, and the BOBYQA method. The BOBYQA method consists of iterative approximations of the objective function through quadratic curves. The analytical and empirical equations used are derived from existing models in the literature and are applied in the determination of gap leakage. Because the numerical simulation of gap leakage requires great localized refinement due to the high ratio between the diameter of the blades and the width of the gap. Thus, the existence of gaps is disregarded in the computational domain during the numerical simulations of the Archimedes screw turbine. To correct the solutions, gap leakage is subtracted from the total flow through the turbine. First, the results of simulations of gap leakage were validated, which showed good agreement with data from the literature. A case study allowed for adjusting gap leakage curves depending on the diameter of the Archimedes turbine, which can be used in equipment design. It was concluded that turbines with more blades have less gap leakage and that the loss of efficiency due to that effect is more significant in turbines with smaller diameters and with greater inclinations. The mechanical powers and hydraulic efficiencies calculated in the numerical simulations of the Archimedes screw turbine were close to numerical and experimental data in the literature. It was observed that the loss of power due to viscous effects increases at high speeds. The increase in speed also reduces the filling of the turbine, which can cause reflux in the discharge and loss of efficiency. On the other hand, low speeds tend to increase filling and cause losses due to overfilling leakage. One-variable optimization required up to seven iterations to find optimum points and multi-parameters optimization required up to fourteen iterations. The highest hydraulic efficiency determined was 88.2%. It was also observed that the highest hydraulic efficiencies occurred at filling levels close to 40% at the screw inlet, since overfilling leakage is eliminated or reduced in this condition, which considerably influences the efficiency of the Archimedes screw turbine.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoTese (Doutorado)O propósito deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. Para isso, utilizou-se dinâmica de fluidos computacional juntamente com modelos analíticos e empíricos para se calcular os parâmetros de interesse da turbina. Um algoritmo computacional foi desenvolvido através da linguagem Python que, por sua vez, executa os softwares SALOME, OpenFOAM e o método BOBYQA, o qual consiste em aproximações iterativas da função objetivo por meio de curvas quadráticas. As equações analíticas e empíricas empregadas foram derivadas de modelos existentes na literatura e aplicadas na determinação do vazamento pelas frestas entre as pás móveis e a calha fixa da turbina. A simulação numérica desse tipo de vazamento exige grande refinamento localizado, devido à alta razão entre o diâmetro das pás e a largura da fresta. Assim, durante as simulações numéricas as frestas foram desconsideradas do domínio computacional e, para corrigir as soluções, subtraiu-se o vazamento pré-estimado da vazão total da turbina. Primeiramente, foram validados os resultados referentes ao vazamento por frestas, os quais apresentaram boa concordância com dados da literatura. Um estudo de caso permitiu ajustar as curvas desse vazamento em função do diâmetro da turbina de Arquimedes. Concluiu-se que a perda de eficiência devido a esse efeito foi mais significativa em turbinas com menores diâmetros e com maiores inclinações. As potências mecânicas e as eficiências hidráulicas calculadas nas simulações numéricas da turbina de Arquimedes foram próximas de dados numéricos e experimentais existentes na literatura. Observou-se que a perda de potência por efeitos viscosos aumentou em altas rotações. Além disso, o aumento da rotação também reduziu o preenchimento da turbina, causando refluxos na descarga e perda de eficiência. Por outro lado, baixas rotações elevaram o preenchimento e causaram perdas por sobrepreenchimento. As otimizações com uma variável necessitaram de até sete iterações para determinar pontos ótimos e as multiparamétricas, até quatorze iterações. A maior eficiência hidráulica determinada foi de 88,2%. Observou-se também que as maiores eficiências hidráulicas ocorreram em níveis de preenchimento próximos a 40% na entrada do parafuso. Em tais condições, os vazamentos por sobrepreenchimento foram eliminados ou reduzidos, o que contribuiu para o aumento da eficiência da turbina de Arquimedes.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaRodrigues, Solidônio Rodrigues dehttp://lattes.cnpq.br/8943889945992814Lobato, Fran Sérgiohttp://lattes.cnpq.br/7640108116459444Souza, Francisco José dehttp://lattes.cnpq.br/1257320066520278Martinez, Carlos Barreirahttp://lattes.cnpq.br/5361181196979714Brasil Junior, Antônio Cesar Pinhohttp://lattes.cnpq.br/3642213701314265Reis, Maurício Guilherme Alves dos2021-10-07T17:52:57Z2021-10-07T17:52:57Z2021-07-07info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfREIS, Maurício Guilherme Alves dos. Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. 2021. 165 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32847http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2021-10-08T06:31:22Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/32847Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2021-10-08T06:31:22Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
dc.title.none.fl_str_mv |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes Numerical simulation and optimization of hydraulic efficiency and mechanical power of the Archimedes screw turbine |
title |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
spellingShingle |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes Reis, Maurício Guilherme Alves dos Turbina de Arquimedes Escoamento Multifásico OpenFOAM Otimização Archimedes screw turbine. Multiphase flow. OpenFOAM. Optimization. Archimedes screw turbine. Multiphase flow OpenFOAM Optimization CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA Engenharia mecânica |
title_short |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
title_full |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
title_fullStr |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
title_full_unstemmed |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
title_sort |
Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes |
author |
Reis, Maurício Guilherme Alves dos |
author_facet |
Reis, Maurício Guilherme Alves dos |
author_role |
author |
dc.contributor.none.fl_str_mv |
Rodrigues, Solidônio Rodrigues de http://lattes.cnpq.br/8943889945992814 Lobato, Fran Sérgio http://lattes.cnpq.br/7640108116459444 Souza, Francisco José de http://lattes.cnpq.br/1257320066520278 Martinez, Carlos Barreira http://lattes.cnpq.br/5361181196979714 Brasil Junior, Antônio Cesar Pinho http://lattes.cnpq.br/3642213701314265 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Reis, Maurício Guilherme Alves dos |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Turbina de Arquimedes Escoamento Multifásico OpenFOAM Otimização Archimedes screw turbine. Multiphase flow. OpenFOAM. Optimization. Archimedes screw turbine. Multiphase flow OpenFOAM Optimization CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA Engenharia mecânica |
topic |
Turbina de Arquimedes Escoamento Multifásico OpenFOAM Otimização Archimedes screw turbine. Multiphase flow. OpenFOAM. Optimization. Archimedes screw turbine. Multiphase flow OpenFOAM Optimization CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA Engenharia mecânica |
description |
The purpose of this work is to develop a methodology to optimize the hydraulic efficiency and the mechanical power of the Archimedes screw turbine. For that, the computational fluid dynamics are used together with analytical and empirical models to calculate the turbine output parameters. A computational algorithm was developed using the Python language, which, in turn, runs the softwares SALOME, OpenFOAM, and the BOBYQA method. The BOBYQA method consists of iterative approximations of the objective function through quadratic curves. The analytical and empirical equations used are derived from existing models in the literature and are applied in the determination of gap leakage. Because the numerical simulation of gap leakage requires great localized refinement due to the high ratio between the diameter of the blades and the width of the gap. Thus, the existence of gaps is disregarded in the computational domain during the numerical simulations of the Archimedes screw turbine. To correct the solutions, gap leakage is subtracted from the total flow through the turbine. First, the results of simulations of gap leakage were validated, which showed good agreement with data from the literature. A case study allowed for adjusting gap leakage curves depending on the diameter of the Archimedes turbine, which can be used in equipment design. It was concluded that turbines with more blades have less gap leakage and that the loss of efficiency due to that effect is more significant in turbines with smaller diameters and with greater inclinations. The mechanical powers and hydraulic efficiencies calculated in the numerical simulations of the Archimedes screw turbine were close to numerical and experimental data in the literature. It was observed that the loss of power due to viscous effects increases at high speeds. The increase in speed also reduces the filling of the turbine, which can cause reflux in the discharge and loss of efficiency. On the other hand, low speeds tend to increase filling and cause losses due to overfilling leakage. One-variable optimization required up to seven iterations to find optimum points and multi-parameters optimization required up to fourteen iterations. The highest hydraulic efficiency determined was 88.2%. It was also observed that the highest hydraulic efficiencies occurred at filling levels close to 40% at the screw inlet, since overfilling leakage is eliminated or reduced in this condition, which considerably influences the efficiency of the Archimedes screw turbine. |
publishDate |
2021 |
dc.date.none.fl_str_mv |
2021-10-07T17:52:57Z 2021-10-07T17:52:57Z 2021-07-07 |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
format |
doctoralThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
REIS, Maurício Guilherme Alves dos. Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. 2021. 165 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286. https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32847 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286 |
identifier_str_mv |
REIS, Maurício Guilherme Alves dos. Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. 2021. 165 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286. |
url |
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32847 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.286 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Uberlândia Brasil Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade Federal de Uberlândia Brasil Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Institucional da UFU instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU) instacron:UFU |
instname_str |
Universidade Federal de Uberlândia (UFU) |
instacron_str |
UFU |
institution |
UFU |
reponame_str |
Repositório Institucional da UFU |
collection |
Repositório Institucional da UFU |
repository.name.fl_str_mv |
Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU) |
repository.mail.fl_str_mv |
diinf@dirbi.ufu.br |
_version_ |
1813711484263333888 |