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Análise analítica e numérica do escoamento em um veículo lançador de CubeSats aplicando a tecnologia da combustão supersônica no segundo estágio de propulsão
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-10-15) Araújo, Pedro Paulo Batista de; Toro, Paulo Gilberto de Paula; Souza, Sandi Itamar Schafer de; 42635926034; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; http://lattes.cnpq.br/8995418183590174; Follador, Roberto da Cunha; http://lattes.cnpq.br/0312757209526436; Silva, Douglas do Nascimento; http://lattes.cnpq.br/0841120842454720; Greco Júnior, Paulo Celso; http://lattes.cnpq.br/4293892048239575
Os atuais motores foguetes possuem baixo impulso específico quando comparados com tecnologias de propulsão aspirada. Os motores/veículos aspirados de combustão supersônica são uma alternativa para melhorar a eficiência do acesso ao espaço em um voo dentro da atmosfera terrestre, abaixo dos 60 km de altitude geométrica. Neste trabalho foi realizado uma análise aerodinâmica do modelo conceitual de um veículo/motor de combustão supersônica, scramjet, para operar como um motor propulsor de segundo estágio de um veículo lançador de nanoSats. Foram usadas duas abordagens de engenharia, metodologia analítica e numérica computacional, para realizar a análise preliminar do modelo de scramjet proposto, acoplado ao terceiro estágio de propulsão, na altitude de 20 km com velocidade de voo equivalente a número de Mach 5,8. O ar atmosférico foi considerado como sendo gás caloricamente perfeito e os efeitos viscosos foram inicialmente desprezados em uma análise preliminar. A combustão supersônica foi modelada como um processo de adição de calor ao escoamento, sem injeção de combustível. Nas simulações numéricas foram considerados os efeitos do desenvolvimento da camada limite para verificar a viabilidade aerodinâmica do modelo. Foram otimizados os ângulos da seção de compressão do scramjet, visando atingir a condição de temperatura e número de Mach requeridos na entrada da câmara de combustão, para minimizar os efeitos da geração de entropia e aumentar a eficiência de compressão do veículo. A temperatura requerida na entrada da câmara é a necessária para realizar a autoignição da mistura ar-combustível. Foi avaliado o limite de Korkegi através das ondas de choque oblíquas na seção de compressão e no processo de adição de calor. Ao usar o limite de Korkegi, no projeto analítico preliminar, como um indicativo de entupimento (unstart) do modelo devido a separação da camada limite, provocada pelo gradiente adverso de pressão, buscou-se identificar nas simulações numéricas, considerando os efeitos viscosos, se ocorreria o fenômeno do unstart. As simulações numéricas foram feitas no software comercial ANSYS Fluent usando o modelo de turbulência conhecido como SST de transição (Transition SST). Também foram realizados testes de convergência de malha, validação do experimento numérico a partir dos dados numéricos validados por dados de voo em condições reais do HyShot. As malhas utilizadas, tanto na validação quanto na análise do presente trabalho, possuem equivalentes níveis de refinamento na direção da parede, satisfazendo a condição do modelo de turbulência (𝑦 + < 1). Os cálculos analíticos apresentaram boa coerência quantitativa e qualitativa com os resultados das simulações numéricas considerando as mesmas simplificações adotadas no analítico. Uma adaptação do cálculo analítico é proposto para levar em consideração os efeitos da interação do leque de expansão com a onda de choque oblíqua incidente na seção de compressão do scramjet. Os resultados das simulações viscosas indicaram que devem ser feitas melhorias na geometria pois a solução apresentada para evitar o entupimento do modelo reduziu a temperatura na entrada da câmara de combustão, assim como reduziu o fluxo de massa capturado pelo combustor.
Análise conceitual de um demonstrador scramjet de admissão interna
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-06-27) Araújo, Tiago Aleixo de; Toro, Paulo Gilberto de Paula; 0000-0002-3280-4244; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; 0009-0007-0287-7710; http://lattes.cnpq.br/6153034683400041; Marinho, George Santos; http://lattes.cnpq.br/0490476694313938; Souza, Sandi Itamar Schafer de; 0000-0002-6737-1063; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528
Teve-se por objetivo neste trabalho aplicar modelagens analítica e numérica para desenvolver projeto conceitual, de um veículo aeroespacial que utiliza sistema de propulsão aspirada baseada em combustão supersônica (tecnologia scramjet), para voo em velocidades hipersônicas, na atmosfera densa terrestre. Utilizou-se uma configuração de admissão interna, com uma única rampa, espelhada pela linha de simetria, que estabelecem ondas de choque oblíquas incidentes no bordo de ataque, que incidem na interseção das ondas de choque incidente, e três ondas de choque oblíquas refletidas que incidem na entrada da câmara de combustão. Ao entrar em contato com a rampa, o escoamento hipersônico estabelece uma onda de choque oblíqua incidente e três ondas de choque refletidas, que alteram as propriedades do escoamento. No estudo analítico são aplicadas: a teoria de onda de choque oblíqua na seção de compressão; a teoria (Rayleigh) de adição de calor em escoamento unidimensional, considerando área da seção transversal constante e sem considerar a adição de massa de combustível, na seção da câmara de combustão; e a teoria de razão de área acoplada a teoria de expansão de Prandtl-Meyer, na seção de expansão. Realizou-se simulação numérica utilizando o módulo Fluent do software ANSYS nas mesmas condições do estudo analítico, considerando-se ar como gás perfeito e sem a camada limite. Constatou-se excelente concordância entre os resultados analíticos e numéricos. A escolha do ângulo da rampa de compressão utilizado proporcionou a condição de choque on-lip e choque on-corner, na seção de compressão. Ainda, o ângulo da rampa de compressão gerou as condições de velocidade (número de Mach) e temperatura do escoamento, de ar atmosférico na entrada da câmara de combustão, suficiente para mistura e queima espontânea do hidrogênio em velocidade supersônica. Finalmente, o projeto conceitual do scramjet com configuração de admissão interna, com uma rampa de compressão resultou em velocidade dos gases dos produtos da combustão superior a velocidade de voo, evidenciando a geração de empuxo não-instalado.
Análise de um aerogerador de eixo vertical utilizando o método do cilindro atuador e a dinâmica de fluídos computacional (CFD)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2018-07-04) Santos, Guilherme Martins dos; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Sanches, Fábio Dalmazzo; Oliveira, Leonardo de Lima
A produção de energia elétrica proveniente de fontes renováveis vem crescendo na matriz energética mundial. Isso se dá pelo crescente investimento em pesquisas e melhoramento das tecnologias. No cenário das energias renováveis, a energia eólica se destaca pela escala de produção das máquinas. Dois modelos de turbina se destacam nesse contexto, as de eixo vertical e as de eixo horizontal, sendo a última mais adotada comercialmente. Turbinas de eixo vertical, no entanto, possuem características que, para determinadas aplicações, apresentam vantagens. A modelagem de seu comportamento para redução dos custos de projeto, porém, ainda necessita de melhorias. A compreensão desses modelos se faz necessária para que novas pesquisas sejam desenvolvidas. A teoria do cilindro atuador vem ganhando destaque nos últimos anos por conseguir resultados com baixo erro utilizando pouco poder computacional. Busca-se também a utilização da fluidodinâmica computacional para obtenção de valores mais precisos. Objetivando o estudo do comportamento de uma turbina de eixo vertical, é necessária a compreensão e validação da teoria do cilindro atuador e melhoria dos resultados utilizando simulações numéricas com o auxílio do software livre de CFD, OpenFOAM.
Análise do arrasto aerodinâmico em carenagem de contenção de paraquedas de drone
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-07-26) Azoni, Giovani Pozza; Marinho, George Santos; http://lattes.cnpq.br/0490476694313938; http://lattes.cnpq.br/1525938463255303; Souza, Sandi Itamar Schafer de; https://orcid.org/ 0000-0002-6737-1063; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; Dantas, João Batista Dolvim; http://lattes.cnpq.br/3984364677031427
Analisou-se experimentalmente a aerodinâmica de um dispositivo adaptado para transportar o paraquedas de um veículo aéreo não-tripulado (VANT), do Centro de Lançamento de Foguetes da Barreira do Inferno (CLBI), cuja carenagem de contenção possui geometria rombuda. Um modelo dessa carenagem foi construído em impressora 3D, em escala 1:1. O modelo foi instrumentado com células de carga, instalado no interior de um túnel de vento e submetido a três níveis de carga aerodinâmica. Os dados coletados nos testes foram analisados utilizando-se o software Microsoft Excel® Professional Plus 2021. Após comparar dados experimentais àqueles obtidos por meio de cálculos constatou-se a coerência de resultados. Desse modo, foi possível evidenciar quantitativamente a necessidade de modificação do projeto original, visando reduzir o coeficiente de arrasto do dispositivo do VANT / CLBI.
Análise do espectro de ruído aerodinâmico em perfis aplicados à conversão eólica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-07-20) Souza, Thairo Matheus Trindade de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Souza, Thiago Cardoso de; http://lattes.cnpq.br/2874612687747843; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; http://lattes.cnpq.br/2777896750311324; Salsa Junior, Rubens Gonçalves; http://lattes.cnpq.br/8721885810953331
O presente trabalho desenvolve análises de ruído aerodinâmico da camada limite turbulenta no bordo de fuga de diversos aerofólios, assim como avalia a performance em situação de transição livre e forçada, buscando uma aplicação em aerogeradores. Assim, um rotor foi projetado utilizando o QBlade visando a obtenção das condições do escoamento na região de maior geração de ruído, que é a extremidade da pá. Para a geração do espectro de ruído, foram utilizados o NAFNoise e o PNoise, presente no QBlade. A elaboração de rotinas na linguagem de programação Python foi necessária para a automatização das análises de performance, realizadas pelo Xfoil, e a análise de ruído, realizada pelo NAFNoise. Dentre os dados obtidos, o perfil NACA 63415 apresentou performance elevada em situação de transição forçada em 10% da corda e produção de ruído de 1 a 2 dBA abaixo dos outros aerofólios em baixos ângulos de ataque. Ressalta-se também que o programa desenvolvido cumpriu com sucesso a função desejada de interface entre o Xfoil e o QBlade.
Análise do método dos pacotes de energia multi-espectrais: determinação do número de sub-pacotes para a minimização do tempo computacional
(2016-07-23) Negócio, Denis Alexandre de Rubim Costa; Maurente, André Jesus Soares; ; ; Silva, Rogério Brittes da; ; Souza, Sandi Itamar Schafer de;
Sistemas de combustão são comuns na engenharia mecânica, e a radiação é um importante modo de transferência de calor nestes sistemas. Portanto, a simulação da troca de calor por radiação é bastante útil na concepção de equipamentos de combustão e otimização de processos de combustão. Entre os métodos computacionais usados para solucionar a transferência de calor por radiação, o método de Monte Carlo é preciso e pode facilmente lidar com problemas que envolvem geometria complexa, espalhamento anisotrópico e dependência espectral das propriedades radiativas. Contudo, o método de Monte Carlo é computacionalmente dispendioso. Além disso, considerar com precisão as propriedades espectrais de emissão/absorção do meio também é altamente demorado. Então, reduzir o tempo computacional no Monte Carlo que leva em conta com precisão a dependência do coeficiente de absorção com o comprimento de onda é altamente desejável. O método dos pacotes de energia multi-espectrais (MSB) é um método que reduz o tempo computacional associado às simulações em Monte Carlo de um meio dependente das propriedades espectrais. Nesta pesquisa é proposta e aplicada uma metodologia para uma avaliação precisa do MSB aplicado em conjunto com o modelo espectral da soma-ponderada-de-gases-cinzas baseado nas linhas espectrais para a solução da transferência de calor por radiação em um meio composto por vapor d’água e espécies não-participantes. Os resultados preliminares mostram que a metodologia proposta é capaz de fornecer resultados precisos, que permitem realizar uma análise mais conclusiva sobre o MSB em comparação com os resultados anteriormente apresentados na literatura (Maurente e França (2015)). A metodologia proposta será aplicada para avaliar o MSB para 30 casos diferentes de meios compostos por vapor d’água e espécies não participantes.
Análise numérica da performance aerodinâmica do motor-foguete S-30 acoplado a um demonstrador scramjet
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-07-20) Maia, Felipe Pinheiro; Souza, Thiago Cardoso de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; 42635926034; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; http://lattes.cnpq.br/9624330377067304; Silva, Cristiano Vitorino da; http://lattes.cnpq.br/1072626739410947; Martos, João Felipe de Araújo; http://lattes.cnpq.br/5078006221219388
Este trabalho investigou o efeito do acoplamento de um demonstrador scramjet no motor-foguete brasileiro S-30 em termos de uma investigação numérica do escoamento em torno da sua fuselagem. Aspectos locais do escoamento, bem como a comparação dos parâmetros da performance aerodinâmica, como pressão e arrasto de fricção, foram considerados para casos com e sem o demonstrador scramjet acoplado. O motor-foguete com a geometria scramjet acoplada foi selecionado para condições operacionais de voo correspondentes a um número Mach de 5,79 e uma altitude de 20 km. Um conjunto de simulações RANS 2D foi realizado, utilizando o Ansys FLUENT, para investigar o escoamento sobre ambas as configurações. Dados experimentais obtidos na literatura para o voo do S-30 foram usados para impor as condições de contorno necessárias. A fim de obter a curva de arrasto para o caso do scramjet acoplado ao motor S-30, simulações numéricas foram realizadas para vários pontos ao longo da trajetória do motor-foguete. As simulações foram capazes de capturar as ondas de choque oblíquas planar e cônicas teoricamente esperadas, assim como as ondas de expansão que normalmente ocorrem para um escoamento hipersônico em tais geometrias. Entre outros fenômenos, observou-se o surgimento de zonas de recirculação e instabilidades do escoamento devido às interações da camada limite com as ondas de choque. Finalmente, como resultado do acoplamento do demonstrador scramjet ao motor-foguete S-30, os resultados mostraram um aumento no arrasto total de cerca de 45,25% para o ponto de projeto. Com base nestas simulações, a curva de arrasto total foi determinada para ambas as geometrias analisadas. Foi observado uma diminuição do coeficiente de arrasto médio ao longo da trajetória. Usando uma análise simplificada de dinâmica de voo, a comparação entre as trajetórias calculadas mostrou desvios na condição de teste de cerca de 2% para a altitude e de 0,15% para a velocidade do escoamento.
Análise numérica de seção de compressão de demonstrador de tecnologia scramjet
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2018-07-02) Araújo, Jonatha Wallace da Silva; Toro, Paulo Gilberto de Paula; Sandi Itamar Schafer de Souza; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Borba, Gilvan Luiz; Tapia, Gabriel Ivan Medina
O uso da tecnologia scramjet é visto atualmente no setor aeroespacial como uma aplicação promissora na área de hipersônica. As principais vantagem desse sistema comparado aos atuais sistemas de propulsão espacial sao a não necessidade de tranporte do oxidante, o que propicia uma redução do peso do veículo, e um impulso específico maior que os sistemas motores foguetes convencionais. Motores scramjet são motores aeronáuticos sem partes móveis, que utilizam a parte frontal da estrutura para comprimir e desacelerar o escoamento da corrente livre para ser conduzido à câmara de combustão nas condições necessárias para que uma combustão ocorra em velocidade supersônica e na temperatura de ignição do combustível. O presente trabalho consiste numa análise aerotermodinâmica da seção de compressão de um demonstrador tecnológico scramjet projetado para realização de voo atmosférico à altitude de 30 km a uma velocidade correspondente a número de Mach 6,8. O desenvolvimento preliminar de veículos hipersônicos pode ser realizado por meio da metodologia analítica, investigação experimental ou utilização de simulação numérica. No presente trabalho as metodologias analítica e simulação numérica são usadas. A metodologia analítica utilizou a teoria de ondas de choque oblíquas planas, enquanto a simulação numérica foi desenvolvida com o uso do software comercial FLUENT – ANSYS.
Análise numérica do escoamento na seção de captura de ar de um demonstrador scramjet
(2019-11-14) Araújo, Jonatha Wallace da Silva; Toro, Paulo Gilberto de Paula; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; ; ; Korzenowski, Heidi; ; Souza, Thiago Cardoso de;
O uso de propulsão aspirada baseada em combustão supersônica (tecnologia scramjet) é visto atualmente no setor aeroespacial como uma aplicação promissora na área de acesso ao espaço. As principais vantagens da utilização dessa tecnologia comparada aos atuais sistemas de propulsão aeroespacial são a não necessidade de transporte do oxidante, o que propicia uma redução do peso do veículo, e um impulso específico relativamente maior que os motores – foguetes convencionalmente adotados. Motores scramjet são sistemas de propulsão aspirada sem partes móveis. Tais sistemas utilizam ondas de choque estabelecidas sobre a estrutura para comprimir e desacelerar o escoamento de ar atmosférico criando condições termodinâmicas adequadas para que a combustão da mistura ar - combustível ocorra em velocidade supersônica na câmara de combustão do veículo, propiciando uma posterior expansão dos gases e geração de impulso. Nesse trabalho, as abordagens analítica e numérica foram aplicadas ao projeto da seção de captura de ar de um demonstrador scramjet construído para demonstração da tecnologia da combustão supersônica, através de um voo atmosférico acoplado a motor foguete em velocidade correspondente a número de Mach 6,8 na altitude geométrica de 30 km. Simulações computacionais do escoamento (invíscido e viscoso) foram utilizadas para verificar características do escoamento sobre o modelo desenvolvido. As simulações com escoamento invíscido foram comparadas com a teoria analítica correspondente. O modelo de escoamento invíscido foi inicialmente utilizado a fim de apresentar aspectos geométricos tais como a captura de ondas de choque bem como para uma avaliação aerotermodinâmica, posteriormente o modelo de turbulência k-kl-omega foi utilizado para o modelamento do escoamento viscoso propiciando a adequação da geometria do modelo em decorrência de fenômenos associados à interação de ondas de choque com a camada limite viscosa.
Aplicação da técnica da transformada integral generalizada em escoamentos em canais considerando efeitos magnetohidrodinâmicos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-05-02) Silva, Bruno Nunes Melo da; Lima, João Alves de; ; http://lattes.cnpq.br/2699729486137957; ; http://lattes.cnpq.br/3542966944722564; Silva, Cristiane Kelly Ferreira da; ; http://lattes.cnpq.br/1121862308635839; Bessa, Kleiber Lima de; ; http://lattes.cnpq.br/3825553608740400; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528
O propósito de soluções híbridas, através da aplicação da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), permite o desenvolvimento para o tratamento do problema de escoamento com transferência de calor transiente para fluidos newtonianos condutores elétricos submetidos a campos magnéticos constantes em um canal de placas planas e paralelas com ou sem rotação do canal, matematicamente esse problema é modelado por sistemas de equações diferencias acopladas. No escoamento, as influências de efeitos Hall, deslizamento de íons e presença de partículas sólidas no escoamento são consideradas. O escoamento transiente é mantido por gradiente de pressão constante ou exponencial, em regime permanente é considerado o movimento da placa superior bem como a advecção pelos poros da placa. O campo magnético é aplicado na direção normal ao escoamento. Assume-se que tal campo magnético é constante e não é afetado pelo escoamento, de maneira que apenas a interação de uma via entre o escoamento do fluido condutor elétrico e o campo magnético é estudada. Admite-se, no escoamento, a variação das propriedades físicas transportadas, tais como, viscosidade, condutividade térmica e elétrica com a temperatura. Resultados são obtidos e comparados com outros resultados numéricos para os campos de velocidade e temperatura do fluido e das partículas sólidas em função dos parâmetros governantes, a saber, número de Reynolds, Hartmann, hall, deslizamento de íons, concentração das partículas sólidas e parâmetros físicos. Nas soluções numéricas, obtidas com o uso das bibliotecas do IMSL® e Fortran utiliza-se precisão prescrita e trunca-se, a uma ordem finita, o sistema ordinário transformado o qual é resolvido numericamente com uso das sub-rotinas bem estabelecidas no IMSL®. É realizada análise de convergência para os principais potenciais com o objetivo de ilustrar a consistência da técnica (GITT) e a sua utilização com finalidades de benchmark nessa área da dinâmica dos fluidos e transferência de calor.
Ciclo de trigeração de um motor diesel marítimo alimentado com gás natural - análise energética e exergética
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2019-06-28) Paiva, Eduardo Vinícius Miranda; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; Souza, Thiago Cardoso de; Souza, Sandi Itamar Schafer de
Sistemas com trigeração vêm sendo utilizados largamente na indústria de produção de energia elétrica, suprindo demandas de aquecimento e resfriamento ao recuperar os gases de combustão que seriam perdidos para o ambiente. A análise energética, acompanhada de uma análise exergética, permite determinar importantes parâmetros termodinâmicos, fundamentais para o estudo quantitativo e qualitativo dos componentes do sistema de trigeração. Este trabalho consiste em uma análise energética e exergética de uma usina, localizada em Eskisehir na Turquia, que opera em um sistema de trigeração, tendo como combustível o gás natural. Os produtos do sistema foram de 6,5 MW em potência elétrica, 0,55 MW de água gelada e 4,3 MW de água aquecida. Nesse estudo, a eficiência exergética e exergia destruída da turbina foram calculadas em 80,28% e 364kW, respectivamente. No recuperador de aquecimento dos gases de combustão, a eficiência energética obtida é de 86,53%, assim como a exergia destruída é de 524,4kW. O balanço energético e exergético do sistema permitem uma melhor tomada de decisão na escolha dos componentes a serem utilizados na produção de energia, tendo em vista que a performance e perdas são conhecidas.
Desenvolvimento de perfis aerodinâmicos a partir de suas características utilizando redes neurais artificiais
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-02-15) Diniz, Bruno da Cunha; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silvério; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; ; http://lattes.cnpq.br/2022146558295249; Lima, João Alves de; ; http://lattes.cnpq.br/2699729486137957; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; Goulart, Jhon Nero Vaz; ; http://lattes.cnpq.br/7863382021033244
Uma das maiores preocupações atuais na Engenharia é o desenvolvimento de aeronaves que possuam baixo consumo e alto desempenho. Para isso, são estudados e projetados perfis aerodinâmicos que tenham um valor elevado de coeficiente de sustentação e um valor baixo para o coeficiente de arrasto, gerando um perfil de alta eficiência. Quanto maior o valor da eficiência, menor será o consumo de combustível da aeronave, melhorando assim, o seu desempenho. Neste sentido, este trabalho objetiva desenvolver uma ferramenta para criação de perfis aerodinâmicos a partir de características desejadas, como coeficiente de sustentação e de arrasto e eficiência máxima, utilizando-se um algoritmo baseado em uma Rede Neural Artificial (RNA). Para isso, inicialmente foram coletados uma base de dados de características aerodinâmicas de um total de 300 perfis, a partir do software XFoil. Então, através de uma rotina implementada no software MATLAB, foram treinadas diversas arquiteturas de redes, entre modulares e hierárquicas, utilizando-se o algoritmo de Retropropagação e a regra do Momento. Para análise dos resultados, foi utilizada a técnica de validação cruzada, avaliando a rede que possuiu o menor valor de Erro Médio Quadrático (EMQ). Neste caso, o melhor resultado obtido foi para uma arquitetura hierárquica com dois módulos e uma camada de neurônios ocultos. Os perfis aerodinâmicos desenvolvidos por essa rede, nas regiões de menor EMQ, foram comparados aos mesmos perfis importados ao software XFoil. O presente trabalho oferece como contribuição, em relação a outros trabalhos que envolvem RNA aplicada à mecânica dos fluidos, o desenvolvimento de perfis aerodinâmicos a partir de suas características aerodinâmicas
Emprego da simulação numérica na determinação do espaçamento ótimo entre aletas, dispostas em um tubo, submetido a transferência de calor por convecção natural.
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-08-14) Almeida, Samuel Dantas de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; https://orcid.org/0000-0002-6737-1063; https://orcid.org/0000-0002-4566-5781; Ferreira, Evans Paiva da Costa; Bessa, Kleiber Lima de
A utilização de aletas em trocadores de calor é empregada visando o aumento da eficiência no processo de transferência de calor. Este trabalho estuda o espaçamento ótimo na transferência convectiva em aletas dispostas em um tubo, utilizando duas geometrias clássicas, as aletas circulares e as aletas quadrada. Comparou-se os resultados obtidos com o emprego de correlações empíricas, propostas na literatura, com os resultados obtidos com a simulação numérica. As equações governantes, Equações de Navier Stokes, Energia e Conservação de Massa, foram aproximadas utilizando a técnica dos Volumes Finitos, que está implementada no software comercial ANSYS CFX 2023R1©. Nas simulações numéricas as aletas quadradas e circulares foram analisadas, modificando o espaçamento e as dimensões das aletas, submetidas a convecção natural. Foram consideradas três tamanhos para as duas geometrias de aletas, e sete espaçamentos entre elas. Neste trabalho apresenta-se os valores das taxas de transferência de calor em função do espaçamento, da relação entre os diâmetros da aleta e tubo base, e da relação altura da aleta e do diâmetro do tubo. Mostra-se também: o número Nusselt, o comportamento do coeficiente convectivo, os campos de temperatura e velocidade para os casos simulados. Os resultados apontam que o espaçamento ótimo é da ordem de 6 mm e que as divergências entre o estudo numérico e teórico ficaram na faixa de 13% e 16%
Estudo comparativo de pás para aerogeradores de grande porte fabricadas em materiais compósitos reforçadas com fibra de carbono ou fibra de vidro
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-12-30) Campos, Maxdavid Oliveira; Melo, José Daniel Diniz; ; http://lattes.cnpq.br/6572298923055649; ; http://lattes.cnpq.br/2609068397669476; Barbosa, Ana Paula Cysne; ; http://lattes.cnpq.br/3718650566004689; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; Cimini Júnior, Carlos Alberto; ; http://lattes.cnpq.br/6773795080923981
A pesquisa e desenvolvimento de pás de aerogeradores são fundamentais para acompanhar o crescimento no setor de energias renováveis em todo mundo. Apesar das pás atualmente serem produzidas tipicamente com materiais compósitos reforçados com fibras de vidro, a tendência de aumento no tamanho das pás, especialmente no setor offshore, cresce também o interesse por materiais compósitos reforçados com fibras de carbono, devido às suas propriedades, como elevado módulo de elasticidade combinado com baixa densidade. Nesse trabalho um modelo de pá desenvolvido para geradores de grande porte (5 MW) foi estudado em escala reduzida. Foram realizados estudos numéricos empregando técnicas de Computational Fluid Dynamics (CFD) para determinar o carregamento aerodinâmico na pá. Foram projetadas e fabricadas duas pás com materiais compósitos de matriz epóxi, sendo uma pá com reforço de fibras de vidro e outra com fibras de carbono. Para os cálculos estruturais, foi adotado o critério de falha por tensão máxima. As pás foram fabricadas pelo processo de Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), típico para este tipo de componente. Uma comparação do peso das duas pás foi realizada, e a pá de fibra de carbono apresentou 45% do peso da pá de fibra de vidro. Ensaios estáticos de flexão foram realizados nas pás para vários percentuais do carregamento de projeto e as deflexões medidas foram comparadas com os valores obtidos nas simulações numéricas por elementos finitos. Uma boa concordância foi observada entre os valores de deflexão medidos e calculados. Em resumo, os resultados obtidos neste trabalho confirmam que a baixa densidade combinada com elevadas propriedades mecânicas das fibras de carbono são atrativas para a produção de pás de aerogeradores de grande porte
Estudo conceitual de um demonstrador scramjet de admissão interna com três rampas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-07-15) Araújo, Tiago Aleixo de; Toro, Paulo Gilberto de Paula; Souza, Sandi Itamar Schafer de; https://orcid.org/0000-0002-3280-4244; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; http://lattes.cnpq.br/6153034683400041; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Korzenowski, Heidi
Neste trabalho foi desenvolvido um estudo conceitual de um sistema de propuls„o aspirada baseada em combust„o supersÙnica (tecnologia scramjet) acoplado aos motores foguetes S30 e S31 para voar em velocidade hipersÙnica, de 2050 m/s ‡ altitude de 30 km. O objetivo foi estudar uma configuraÁ„o de admiss„o interna simÈtrica com trÍs rampas na seÁ„o de compress„o e comparar com a configuraÁ„o mista externa e interna de trÍs rampas e mesmos ‚ngulos. Foi aplicada uma metodologia teÛrico-analÌtica (abordagem de engenharia) utilizando a teoria de onda de choque oblÌqua na seÁ„o de compress„o, a teoria de Rayleigh da adiÁ„o de calor em escoamento unidimensional, com ·rea transversal constante, e sem considerar a adiÁ„o de massa do combustÌvel na c‚mara de combust„o, e a teoria de raz„o de ·rea acoplada ‡ teoria de expans„o de Prandtl-Meyer na seÁ„o de expans„o. Foram analisadas as variaÁıes das propriedades do escoamento sem injeÁ„o de combustÌvel na c‚mara de combust„o (power-off) e com injeÁ„o e queima de combustÌvel hidrogÍnio, no escoamento em velocidade supersÙnica (power-on). O ar atmosfÈrico capturado pela seÁ„o de compress„o do demonstrador scramjet È comprimido e desacelerado para uma condiÁ„o de velocidade supersÙnica e temperatura superior a temperatura de igniÁ„o espont‚nea do combustÌvel na c‚mara de combust„o. Considerando power-off, o ar expandido na seÁ„o de expans„o obteve uma velocidade inferior ‡ velocidade de voo, devido ao aumento da entropia. Entretanto, no caso de power-on, os produtos da combust„o da mistura ar atmosfÈrico-combustÌvel hidrogÍnio proporcionam um aumento na velocidade de voo do scramjet, produzindo empuxo n„o instalado de 402,64N e impulso especÌfico de 4164,02s. Por fim foi realizada uma an·lise de desempenho do scramjet desenvolvido considerando par‚metros como eficiÍncia propulsiva, eficiÍncia tÈrmica e eficiÍncia global.
Estudo da descontinuidade geométrica em lâmina de tecido híbrido bidirecional vidro/carbono
(2017-03-30) Souza, Filipi Marques de; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silvério; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; ; http://lattes.cnpq.br/4888950790861801; Dias, Avelino Manuel da Silva; ; http://lattes.cnpq.br/1142442322601442; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Amorim Júnior, Wanderley Ferreira de; ; http://lattes.cnpq.br/8131607733881361
Os crescentes desenvolvimentos tecnológicos e econômicos convergem para a necessidade de criação de materiais cada vez mais eficientes, os quais buscam unir alto desempenho e baixo custo. Os compósitos surgem como solução para substituição de materiais convencionais, por serem desenvolvidos para aplicações especificas, podendo apresentar características desejadas. Os tecidos híbridos aplicados em compósitos fibrosos, se projetados adequadamente, possibilitam uma melhoria ainda maior no rendimento, já que, diferentemente dos tecidos convencionais, os tecidos híbridos combinam fibras diferentes com alinhamento dependente do tipo de solicitação de carga, podendo obter um material mais eficiente. Neste trabalho, foram realizadas análises com o intuito de estudar o comportamento de uma lâmina de compósito reforçado por tecido híbrido bidirecional vidro/carbono em presença de descontinuidades geométricas. Para a realização desse estudo o compósito foi fabricado a partir do processo de moldagem manual (hand-lay up). A partir dos ensaios realizados, de acordo com as normas da ASTM, obtiveram-se as características e propriedades do material (Percentual mássico e volumétrico de fibras, gráficos de tensão x deformação, resistência última e módulo de elasticidade). Foram analisadas configurações com as fibras alinhadas nas direções principais (0° e 90°) e em ângulo (30°, 45° e 60°). A lâmina obteve um percentual mássico total de fibras de 38,98%, sendo 19,49% de fibra de vidro e 19,49% de fibra de carbono. Já para o percentual volumétrico obtiveram-se os seguintes resultados: 10,91% de fibra de vidro e 14,88% de fibra de carbono. A partir dos resultados obtidos nos ensaios de tração pôde-se observar que os materiais com fibras em ângulo apresentam resistência inferior aos com alinhamento na direção principal e ao mesmo tempo apresentaram maiores alongamentos. A resistência residual apresentou resultados semelhantes tendo valores em torno de 0,774, exceto para o material com angulação de 30°, o qual apresentou um valor de 0,676. Diante dos resultados encontrados, torna-se evidente que a descontinuidade geométrica é um fator relevante na resistência deste compósito e deve ser considerada.
Estudo de viabilidade técnica e econômica da implantação de uma usina fotovoltaica no campus natal da UFRN
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025-07-10) Paiva, Gabriel Medeiros de; Tapia, Gabriel Ivan Medina; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Lima, Álvaro Augusto Soares
Diante dos altos custos operacionais de energia na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), este estudo apresenta uma solução de engenharia para a autossuficiência energética de seu complexo esportivo. Para tal, um sistema fotovoltaico foi cuidadosamente projetado e sua viabilidade técnica e econômica validada. A metodologia empregou o dimensionamento técnico dos sistemas, com validação estrutural e simulações computacionais detalhadas utilizando o software PV*SOL, com base em dados de irradiação solar local. O trabalho detalha duas propostas estratégicas. A primeira, um sistema de 15,5 kWp, focado em suprir a demanda de 1.986 kWh/mês dos equipamentos das piscinas, com um investimento de R$ 81.050,00 e retorno em 5,1 anos. A segunda proposta, de 37,4 kWp, explora o máximo potencial da área para atender tanto as piscinas quanto a nova iluminação noturna da pista de atletismo, com uma demanda combinada de 4.386 kWh/mês. Mesmo com um investimento maior de R$ 187.800,00, esta segunda opção mantém um retorno atrativo de 5,3 anos. Além da viabilidade econômica, a implementação do sistema maior representa um impacto ambiental significativo, com a mitigação de 93,0 toneladas de CO₂ ao longo da vida útil dos painéis de 25 anos. Conclui-se que as soluções apresentadas são robustas e rentáveis, oferecendo à UFRN um caminho claro para a redução de custos e a valorização de sua infraestrutura esportiva.
Estudo numérico da influência da ponta e do espaçamento entre aletas transferência de calor por convecção natural de tubos aletados
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2019-12-02) Souza, Lucas Eduardo Ferreira de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; Souza, Thiago Cardoso de; Maia, Felipe Pinheiro
Neste trabalho, técnicas de simulação numérica foram utilizadas como ferramenta para avaliar os efeitos da ponta e do espaçamento entre as aletas de um tubo horizontal com aletas anulares. Três configurações foram estudadas variando o espaçamento ‘S’ entre as aletas, 5 mm, 10 mm e 20 mm. Foram investigadas as mudanças no processo de transferência de calor em função do espaçamento ‘S’ e a importância da ponta da aleta. Para isso, foi desenvolvido um modelo geométrico com dois domínios. Um domínio fluido, empregando o ar como fluido de trabalho, e um outro domínio sólido, composto por um tubo de aço aletado, onde manteve-se a temperatura fixa na base das aletas. Para a elaboração do modelo geométrico bem como a solução das equações governantes aproximadas, empregou-se o código comercial ANSYS-CFX. Resultados para os campos de temperatura nas aletas e as taxas de transferência de calor, número de Nusselt e Coeficiente de transferência de calor convectivo são apresentados. Comparações com resultados experimentais, solução analítica, teste de convergência de malha também foram realizados. Os resultados mostraram que o espaçamento entre as aletas influencia significativamente o processo de transferência de calor. Observou que a taxa de transferência de calor na ponta tem um leve aumento com a diminuição do espaçamento.
Estudo numérico de um aerogerador projetado com a metodologia BEM e da utilização de um intensificador de potência
(2017-08-28) Barros, Aideé Amélia Torres Sampaio; Maurente, André Jesus Soares; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; ; ; Cavalcanti, Eduardo José Cidade; ; Ferro, Luís Morão Cabral;
A preocupação com o efeito estufa e com a degradação que o meio ambiente vem sofrendo, devido a utilização de fontes de energia não renováveis, como os combustíveis fósseis, tem despertado um interesse especial na utilização de fontes renováveis de energia. Diante disso, a energia eólica vem se destacando no cenário energético atual do Brasil. Os aerogeradores, responsáveis pela conversão da energia eólica em energia elétrica, são intensamente estudados, visto que se busca formas de aumentar a eficiência dos mesmos. Uma possível solução para o aumento da potência de saída fornecida pelo aerogerador é a utilização de difusores flangeados. A ideia é gerar um gradiente de pressão, que causaria a passagem de uma maior de massa de ar a uma maior velocidade, através do rotor. Como a potência de saída de um aerogerador é diretamente proporcional ao cubo da velocidade, a mesma aumentaria. Com isso o presente trabalho teve como objetivo principal investigar a utilização de um difusor flangeado, acoplado a um aerogerador de baixa potência, visando aumento de potência convertida. Para isso foi desenvolvido o projeto e a modelagem 3D do rotor de um aerogerador com capacidade de conversão de 300 W utilizando o Blade Element Momentum (BEM). Foram realizadas simulações numéricas transientes do escoamento turbulento que age sobre os domínios estudados, empregando um software CFD. Dois modelos diferentes foram consideradas, o primeiro foi a turbina eólica envolta sem o elemento intensificador e o segundo com o elemento intensificador, possibilitando então uma comparação entre as duas configurações. Como objetivo secundário efetuou-se comparações dos resultados numéricos com os resultados analíticos da metodologia de projeto adotada (BEM), visando identificar se os dados obtidos através do projeto (coeficiente de indução axial, ângulos, triangulo de velocidade) estão próximos da solução numérica. Ao final da análise dos resultados, foi possível verificar que o difusor aumenta a velocidade do ar que passa pelo rotor eólico em aproximadamente 50%, causando um aumento de cerca 330% da potência de saída. Diferenças máximas na ordem de 10% foram encontradas entre a solução analítica (obtidas com o BEM) e a solução numérica. Além disso, pôde-se observar que com o aumento da velocidade da massa de ar, e sem o aumento da velocidade de rotação, o triângulo de velocidades acaba sendo modificado o que gera o fenômeno do stall. Por fim foi feita uma nova análise, com a velocidade de rotação corrigida, onde pôde-se observar que o triângulo de velocidade volta a se estabilizar.
Estudo numérico de um elemento intensificador de potência aplicado a uma turbina eólica de pequena escala
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-04-23) Souza, Luiz Guilherme Vieira Meira de; Souza, Sandi Itamar Schafer de; ; http://lattes.cnpq.br/7400466085627528; ; http://lattes.cnpq.br/7682385778883770; Lima, João Alves de; ; http://lattes.cnpq.br/2699729486137957; Bessa, Kleiber Lima de; ; http://lattes.cnpq.br/3825553608740400
É apresentado o estudo numérico de um sistema eólico de conversão de energia, que consiste de um aerogerador de eixo horizontal instalado no interior de uma envolta difusora com um flange na periferia de sua saída, utilizando CFD. A envolta difusora flangeada desempenha o papel de coletar e acelerar o vento, assim aumentando a potência elétrica gerada pelo aerogerador. De modo a obter uma potência de saída ainda maior, dados encontrados na literatura a respeito de parâmetros ótimos para a envolta, tais como ângulo de abertura, altura do flange, formato da entrada, etc., foram utilizados para gerar o modelo estudado neste trabalho. Os resultados obtidos com as simulações foram úteis para avaliações dos números de Reynolds, coeficientes de potência e outros parâmetros envolvidos no processo. O torque e velocidade angular do aerogerador também foram determinados. Como resultado, o aerogerador com envolta difusora flangeada demonstrou um aumento de potência em relação ao aerogerador simples.

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