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Title: Utilização da fluidodinâmica computacional como ferramenta de estudo em bombas centrífugas
Authors: Bezerra, Ana Rafaelly Amaral
Keywords: Bombas centrífugas;Fluidodinâmica computacional;Simulação numérica
Issue Date: 25-Jul-2018
Citation: BEZERRA, Ana Rafaelly Amaral. Utilização da fluidodinâmica computacional como ferramenta de estudo em bombas centrífugas. 2018. 120f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Abstract: Centrifugal pumps are widely used in many industrial applications and they are usually considered the main component of the system. The comprehension of the components behavior is indispensable for the development and improvement of more efficient, reliable and economical systems, since small gains in efficiency can avoid waste of large amounts of energy. However, the analysis of the internal flow of a centrifugal pump is an arduous and expensive task for experimental techniques. This analysis and the determination of the operational characteristics can be supported by numerical simulations, using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques, which allows the prediction of flow behavior with off-design conditions, providing reduction of costs and time. This work presents the design and numerical simulations of a centrifugal pump (rotor and volute). The geometric characteristics were obtained from project recommendations of the classical literature, and numerical simulations were performed using the ANSYS CFX code. Numerical simulations were also performed on a rotor pump model, which is commercialized and manufactured in Brazil, in order to ensure the reliability of the results. In both simulations, it was required to develop 3D models, to generate suitable computational meshes and to define proper boundary conditions. With the simulations results for the proposed slow type radial centrifugal pump with a discharge of 59.5 m3 / h, a head of 50 m and a rotational speed of 3600 rpm, it was possible to obtain the elevation height curve as well as the velocity triangle behavior along the rotor blade. In addition, an evaluation of the flow was carried out by studying the pressure and velocity fields in the rotor and the volute, and the influence of the roughness on the height of the pump lift was verified. The studies showed that the numerical results are in agreement with the projected values, with the manometric height being 10% above the expected value. In addition, the flow characterization and pump performance analysis revealed that CFD was a useful and reliable design tool.
Portuguese Abstract: As bombas centrífugas são amplamente utilizadas em diversas aplicações industriais, e muitas vezes são consideradas o componente principal do sistema. A compreensão do comportamento é indispensável para o desenvolvimento e aprimoramento de sistemas mais eficientes, confiáveis e econômicos, pois pequenos ganhos em eficiência podem evitar desperdícios de grandes quantidades de energia. No entanto, a análise de fluxo no seu interior é uma tarefa árdua e dispendiosa para técnicas experimentais. Assim a análise e a determinação das características operacionais podem ser realizadas com o auxílio de simulações numéricas, utilizando técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD). Isso permite a previsão do comportamento dos escoamentos, sem que haja a necessidade de construção de modelos, gerando uma economia de recursos financeiros e de tempo. Este trabalho apresenta o projeto e a simulação numérica de uma bomba centrífuga (rotor e voluta). As características geométricas foram obtidas a partir de recomendações de projeto dispostos na literatura clássica da área e as simulações numéricas foram realizadas através da utilização do código ANSYS CFX. Para garantir a confiabilidade dos resultados, também foram realizadas simulações numéricas sobre o modelo computacional de um rotor de bomba comercializada e fabricada no Brasil. Em ambas as simulações, foi necessária a criação de modelos 3D da bomba, a geração de malhas computacionais adequada ao problema e a definição das condições de contorno apropriadas à situação. Com os resultados das simulações para uma bomba centrífuga radial, projetada, do tipo lenta, com descarga de 59,5 m3 /h, altura manométrica de 50 m e velocidade de rotação de 3600 rpm, foi possível obter a curva de altura de elevação, bem como, o comportamento do triângulo de velocidade ao longo da pá do rotor. Além disso, foi realizada uma avaliação do escoamento através do estudo dos campos de pressão e velocidade no rotor e na voluta, e uma verificação da influência da rugosidade na altura de elevação da bomba. Os estudos mostraram que os resultados numéricos apresentam concordância com os valores projetados, estando à altura manométrica 10% acima do valor esperado. Além do mais, a caracterização do escoamento e análise de desempenho da bomba revelaram que o CFD apresentou-se como uma ferramenta de projeto útil e confiável.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26258
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