Dissertações - Engenharia Mecânica - FEIS

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    Investigação da dinâmica aeroelástica de um aerofólio utilizando CFD
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-05-26) Carnielo, Bianca Taís Visoná; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]; Pantaleão, Aluisio Viais [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Técnicas de solução de problemas envolvendo interações fluido-estrutura (FSI) são utilizadas em problemas industriais para aplicações aeroespaciais, sendo em alguns casos as forças aerodinâmicas calculadas a partir das equações de Navier-Stokes utilizando CFD (do inglês, Computational Fluid Dynamic). Em particular, soluções de problemas FSI podem ser obtidas empregando o software livre SU2, desenvolvido e mantido pela Universidade de Stanford, EUA. Neste contexto, o presente trabalho consiste na análise aeroelástica de um aerofólio NACA 0012 com movimentos em pitch e plunge em diferentes condições de escoamento subsônico e na alteração do código de solução estrutural do SU2 para incluir uma não-linearidade estrutural de rigidez cúbica. A solução do escoamento é obtida através das equações URANS (do inglês Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes Equations), combinada com o modelo de turbulência SST k-omega. O modelo estrutural é obtido através do método dos Elementos Finitos usando o software Nastran, para se obter os modos de vibrar e as frequências do sistema estrutural. A solução da dinâmica estrutural envolve um código escrito em Python, que utiliza o método alpha-generalizado para realizar a integração numérica das equações do movimento no domínio do tempo, que também é adaptado para resolver o sistema incluindo a não-linearidade. As malhas estrutural e fluidodinâmica são não coincidentes, e por isso utiliza-se o método de interpolação RBF (do inglês Radial Basis Functions). Os resultados das simulações computacionais mostram o comportamento da estrutura tanto no domı́nio do tempo quanto da frequência. As condições de escoamento são alteradas de forma a mapear a dinâmica do aerofólio até se verificar o movimento instável, para o qual é possível observar fenômenos como o aumento das amplitudes de oscilação ao longo do tempo e presença de choque aerodinâmico. Os resultados para os casos com não-linearidade estrutural mostram um maior amortecimento aeroelástico em comparação ao caso linear,em condições estáveis. Por outro lado, para condições instáveis, a não-linearidade contribui para se manter as amplitudes constantes ao longo do tempo, que sugerem a possível presença de oscilações de ciclo limite.
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    Estudo do emprego de Elastômero Magneto Reológico para controle de vibrações em estruturas
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-02) Carvalho, Henrique Edno Leoncini de; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Elastômeros Magneto Reológicos (EMR) são materiais compósitos “inteligentes” que, sobre o efeito de um campo magnético externo, podem mudar substancialmente suas propriedades viscoelásticas, atributo que confere a este material grande potencial para desenvolvimento de tecnologias de controle de vibrações, que exigem o estudo do comportamento dinâmico do material através de modelos teóricos e experimentais: uma área onde ainda existem lacunas para a proposição de metodologias. Dividindo a última década em dois períodos de cinco anos, o número de patentes relacionadas a EMRs triplicou-se, segundo Organização Mundial da Propriedade Intelectual, indicando o crescente interesse no tópico pela comunidade científica. Unindo a demanda pelo estudo e desenvolvimento de métodos de caracterização do material EMR, bem como a importância de estudos nacionais voltados a problemas dinâmicos em estruturas, este trabalho é motivado em contribuir à comunidade científica propondo uma maneira inovadora de caracterização dinâmica, com procedimento experimental e abordagem teórica originais, explorando diferentes regimes de tensão de entrada de ensaio, que permitiu o melhor entendimento da relação entre tensão e campo magnético aplicado, assumida como linear com um erro de 4.8 %. Foram elaboradas técnicas de fabricação de amostras, reduzindo o surgimento de bolhas, bem como o foi estudada a aplicação deste material em dispositivos de para controle de vibrações em estruturas por meio de simulações generalizadas com sistemas de um grau de liberdade, sendo possível, através do acionamento do campo e alteração da frequência natural amortecida, a supressão de sua resposta em magnitude para valores abaixo da meia potência, adotado como parâmetro de alvo.
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    Cromização em caixa do aço ferramenta AISI M2 utilizando irradiação por micro-ondas como fonte de aquecimento
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-03) Takahashi, Luciana; Gallego, Juno [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Aços ferramenta possuem um vasto campo de aplicação na indústria metal-mecânica, vinculada a confecção de ferramentas de usinagem, matrizes para estampagem profunda, entre outras. Para aumentar a vida útil dessas ferramentas podem ser aplicados revestimentos endurecidos, entre eles a formação de revestimento rico em cromo por meio de tratamentos eletroquímicos que industrialmente usam o cromo hexavalente - uma substância altamente poluente e carcinogênica. A técnica de cromização em caixa é um tratamento realizado em altas temperaturas, mas que tem a vantagem de usar cromo metálico que torna o processo mais limpo e sustentável. No presente trabalho peças do aço ferramenta AISI M2 foram cromizadas em caixa com uma mistura de pós composta por cromo metálico ou ferro-cromo em pó, um ativador (NH4Cl) e um composto inerte (Al2O3). Para o tratamento termoquímico construiu-se um aparato que permitiu o uso da técnica do aquecimento híbrido por irradiação com micro-ondas, quando temperaturas iguais ou superiores a 1000°C foram mantidas durante 1 hora. Os revestimentos foram examinados por microscopia óptica (MO) e eletrônica de varredura (MEV), além de análises por espectroscopia de energia dispersiva de elétrons (EDS), difração de Raios-X (DRX) e microdureza Vickers. Os resultados mostraram que as regiões externas das camadas são compostas preponderantemente por duros carbonitretos de cromo. A fonte de cromo usada na cromização em caixa mostrou afetar a qualidade da camada, sendo que as amostras preparadas com ferro-cromo apresentaram revestimentos com espessura mais uniforme e maior dureza que aquelas preparadas com cromo metálico. As camadas formadas usando ferro-cromo obtiveram espessuras entre 5,4 e 6,9μm e dureza média 3,5 vezes superiores à dureza do substrato, enquanto as amostras preparadas com cromo metálico mostraram camadas com espessuras entre 6,5 e 7,8μm e dureza média 2,5 vezes à dureza do substrato.
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    Inserção de geradores de vórtices longitudinais para a mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica do tipo Francis
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-15) Museti, Daniel Marcos; Salviano, Leandro Oliveira [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    No Brasil a energia hidrelétrica tem sido usada como a principal fonte para a geração de eletricidade, fornecendo energia continuamente à rede elétrica. Paralelamente, a demanda por fontes de energias renováveis vem substancialmente crescendo nos últimos anos em decorrência das crescentes preocupações com as mudanças climáticas devido ao uso excessivo de combustíveis fósseis. Algumas destas energias renováveis como a energia solar e eólica, por exemplo, são consideradas como fontes de energias intermitentes, podendo gerar instabilidades na rede elétrica de distribuição. Além da produção de eletricidade, as turbinas hidráulicas fornecem estabilidade à rede devido à sua rápida resposta às mudanças na demanda e flexibilidade para operar em uma variedade de condições operacionais, tornando-a ideal para uso como modulador de rede, evitando a falta ou a sobrecarga no fornecimento de eletricidade. Neste sentido, com o avanço da tecnologia de modelagem computacional (CFD), o projeto de turbinas hidráulicas tem permitido a avaliação do escoamento sob diferentes condições de operação, identificando, ainda na fase de projeto, fenômenos como o vórtice de corda no tubo de descarga, que são responsáveis por muitas características operacionais indesejáveis, incluindo redução de eficiência, ruído, vibrações, variações na potência de saída, e pulsações de pressão no tubo de descarga e conduto forçado. Esta ferramenta numérica não era uma realidade para as usinas hidrelétricas instaladas no Brasil em meados da década de 70, onde o desenvolvimento era essencialmente empírico e analítico. Desta forma, o objetivo deste trabalho é investigar a possibilidade de mitigação do vórtice de corda em uma turbina hidráulica benchmarking do tipo Francis apresentada no Workshop Francis-99, considerando a inserção de dispositivos passivos do tipo geradores de vórtices sobre o perfil da pá do rotor. Foi adotada uma modelagem considerando a periodicidade do rotor e palhetas direcionadoras móveis para reduzir o custo computacional. O escoamento é considerado incompressível e turbulento, e uma abordagem inicial foi feita considerando o regime estacionário e posteriormente a configuração mais promissora na mitigação do vórtice de corda foi submetida ao regime transitório para comparação. As condições de operação PL (Partial Load), BEP (Best Efficiency Point) e HL (High-Load) foram investigadas. A inserção de geradores de vórtices sobre as pás de um rotor de uma turbina Francis permitiu a mitigação do vórtice de corda no tubo de descarga. A mitigação do vórtice de corda com a inserção de geradores de vórtices provocou redução na eficiência da turbina hidráulica em todas as configurações e condições, mas com a análise dos parâmetros e resultados foi possível minimizar essa queda na eficiência e, para a maioria dos casos, obter um ligeiro acréscimo no torque. Os resultados qualitativos no regime transitório mostram que as mudanças no vórtice de corda foram sutis quando comparadas aos resultados do regime estacionário, permitindo concluir que para uma análise inicial de mitigação do vórtice de corda o regime estacionário se mostra razoavelmente satisfatório. Apesar da inserção dos geradores de vórtices no rotor ocasionarem uma perda na eficiência, estes dispositivos passivos modificam a dinâmica do escoamento mitigando o vórtice de corda e, possivelmente, melhorando a estabilidade operacional da turbina hidráulica, podendo assim evitar a necessidade de uma completa substituição das turbinas.
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    Integração da energia solar térmica por concentradores do tipo calha parabólica com uma usina termelétrica operando em ciclo combinado
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-01) Botamede, Bernardo Bergantini; Salviano, Leandro Oliveira; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A energia solar térmica é atualmente usada para a geração de energia como uma fonte confiável e livre de carbono em muitos países. Infelizmente, não existe este tipo de projeto comercial em operação no Brasil, embora se verifique um grande potencial solar. Nesse contexto, uma estratégia de transição é o desenvolvimento de uma usina solar híbrida que possa ser aplicada nas atuais usinas termelétricas. Desta forma, o presente trabalho investiga algumas alternativas de layout para o acoplamento de uma usina solar térmica com uma usina em operação de ciclo combinado (ciclo Brayton e Rankine) localizada na região centro-oeste do Brasil. Um sistema com coletor solar de calha parabólica foi selecionado para este estudo, considerando óleo sintético e sal fundido como fluidos de transferência de calor (HTF) na planta solar e água como fluido de trabalho no ciclo de potência. A modelagem termodinâmica e os modelos matemáticos foram desenvolvidos no software de código aberto OpenModelica. A modelagem termodinâmica da configuração atual da usina termelétrica foi validada através de dados operacionais reais cedidos por empresa privada. A usina solar térmica com concentrador solar com armazenamento térmico foi modelada e validada através do software de referência System Advisor Model (SAM) do National Renewable Energy Laboratory (NREL). Uma proposta de acoplamento da usina solar com armazenamento térmico foi feita através da caldeira de recuperação de calor (HRSG), considerando seis layouts com óleo sintético e seis layouts com sal fundido como fluido de trabalho na planta solar, nos quais a usina solar é usada para pré-aquecer a água, evaporar o vapor, superaquecer o vapor ou em uma combinação destes processos em paralelo com a caldeira. Dados horários de um ano meteorológico típico (TMY) foram utilizados como dados de entrada para cada simulação. Os resultados mostraram que os layouts que utilizam a energia solar para superaquecimento do vapor saturado apresentaram o melhor desempenho termodinâmico, com eficiência de conversão da energia solar para a elétrica de até 32,3%, e aumento de 1,5% na potência bruta média diária da turbina a vapor, em condições nominais de irradiação solar (DNI). Em uma base anual, a planta híbrida com o campo solar de 13.080 m² tem o potencial de evitar o consumo de combustível fóssil em até 34.410 MMBtu, representando até 1.997 ton CO2 de redução de emissões e até US$ 458.682,00 de economia de custos de combustível.
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    Desenvolvimento de um programa computacional para análise de trincas via método dos elementos de contorno: modelagem de sólidos e geração de malha
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-03) Schiara, Leandro de Souza; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A integridade das estruturas pode ser seriamente afetada pela presença de trincas, portanto, são necessários meios de se detectar, dimensionar e avaliar a severidade desses defeitos. Para essa avaliação, a mecânica da fratura tem se mostrado uma disciplina de crescente importância no projeto e na manutenção de estruturas e equipamentos em várias indústrias, especialmente nas de aviação e de óleo e gás. O uso dessa disciplina, no entanto, normalmente exige o emprego de métodos numéricos. O método dos elementos de contorno é uma técnica bastante adequada para a modelagem de defeitos planares em face se sua propriedade de redução de dimensionalidade. Dessa forma, a etapa de pré-processamento é bastante simplificada se comparada à técnica de elementos finitos, por exemplo. Não há muitas ferramentas de fácil utilização e que abranjam todas as etapas de uma simulação numérica via elementos de contorno, especialmente quando se trata de trincas, por terem topologia normalmente não aceita pelos programas usuais de modelagem de sólidos. Por causa disso, esse trabalho dedicou-se ao desenvolvimento de um software capaz de efetuar o modelamento dos sólidos adaptado à mecânica da fratura, bem como gerar a malha na superfície para análise via método dos elementos de contorno. O programa em desenvolvimento tem e terá mínima dependência de softwares externos. A união da modelagem computacional de sólidos, da mecânica da fratura e do método dos elementos de contorno permitirá o desenvolvimento de uma ferramenta computacional simples denominada CABEMT, mas de considerável flexibilidade e, portanto, capaz de ser utilizada na prática de engenharia.
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    Modelamento e controle de VANTs multirotores em formação
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-23) Silva, Renan Cavenaghi; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]; Santos, Rodrigo Borges [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    The Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have been extensively researched due to their under- lying characteristics that suit them for different applications such as border surveillance, object recognition, crop spraying and aerial transportation. Despite the enthusiasm from the general community, practical tasks are restricted since the specialized equipment that the UAV have to transport in a mission have limited weight. In this sense, a possible alternative consists of using multiple UAVs in a formation flight to collaboratively transport a heavy-payload. Then, in this dissertation, the dynamic model from an UAV formation is obtained using an approach to parameterize the equation of motion in terms of the number of vehicles, such that different formation configurations can be considered. Moreover, the presented controller involves a leader-follower strategy with virtual-constraints for the vehicles to keep each particular formation. The results show that the employed control strategy is feasible for transporting a heavy-payload despite showing a persistent error due to the unmodeled dynamic from the suspended payload in the formation controller.
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    Rede neural ARTMAP-FUZZY aplicada a detecção de falhas estruturais em engrenagens
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-01-31) Santos, Lucas Henrique dos; Chavarette, Fábio Roberto [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Estudou-se o desenvolvimento de um sistema inteligente utilizando redes neurais artificiais, para o monitoramento de falhas estruturais. Simulou-se em uma bancada experimental o comportamento de um motor com engrenagens em estado normal ou com algum estresse para exemplificar falhas no decorrer do experimento. E para a análise, identificação e caracterização dos dados, foi utilizado uma rede neural do tipo ARTMAP-Fuzzy. A principal aplicação deste sistema é inspecionar a estrutura da bancada objetivando sua melhor conservação e gerando informações para análise de futuras falhas. Os resultados obtidos na aplicação da rede neural ao problema especificado mostraram-se ser significativos.
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    Estudo sobre a viabilidade econômica do desenvolvimento de um dispositivo de localização de vazamentos
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-25) Oliveira, Alexandre Paniago de; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A água é um direto universal do ser humano, sendo um elemento essencial ao seu de- senvolvimento. Entretanto, esse direito tem sido cada vez mais ameaçado por escassez hídrica, seja por eventos climáticos, seja por falhas nas redes urbanas de distribuição. No Brasil, os indíces de perda de água durante a distribuição chegam a alarmantes 38,5% em média, representando 6,2 bilhões de metros cúbicos somente em 2018. Os métodos de detecção atuais demonstram ser onerosos de tempo, recursos e demanda de profissionais extremamentes específicos. O objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade econômica e financeira de se desenvolver um dispostivo de localização de vazamentos, sendo este um correlacionador de sinais de groundsurfacing. Assim, foi feito o mapeamento de mercado de modo a obter dados sobres os possíveis consumidores e concorrentes, além das parti- cularidades de cada um. Em seguida, buscou-se definir um produto mínimo viável com base nas soluções de hardware e software apresentadas na literatura. Os custos fixos e variados, investimentos e infraestrutura necessária foram estimados e, com base em indica- dores financeiros, elaborados alguns cenários de demanda e preços. Por fim, realizou-se um comparativo financeiro com as soluções existentes, mostrando a compatibilidade do dispostivo com o mercado.
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    Estudo da variação das propriedades mecânicas de Elastômeros Magnetoreológicos Orientados submetidos a campos magnéticos com variação de intensidade e direção
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-25) Batista, Augusto de Moraes; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O controle de vibração é de suma importância para aumentar a vida útil de equipamen- tos mecânicos, e uma das formas para controlar a vibração é a aplicação de materiais inteligentes, que são capazes de alterar suas propriedades e responder de a estímulos. Elastômetros Magneto-Reológicos são materiais inteligentes, já explorados no exterior porém com pouca pesquisa no país, que podem ser empregados no controle de vibrações, pois possuem a capacidade de alterar suas propriedades mecânicas quando submetidos a campos magnéticos. Este trabalho tem como objetivo (i) contextualizar o uso de Elastô- meros Magneto-Reológicos no controle de vibrações, bem como (ii) apresentar os estudos já desenvolvidos na área pelo LabSiN, da UNESP de ilha Solteira, e contribuir com o (iii) desenvolvimento de um dispositivo que seja capaz de imprimir campos magnéticos com variação de intensidade e sentido, ponde assim (iv) estudar a variação da propriedade de um MRE com matriz de Silicone e partículas magnéticas de Iron Carbonyl orientadas durante a sua cura.
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    Sistema imunológico artificial aplicado no reconhecimento de falhas de uma placa de material compósito
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-24) Almeida, Estevão Fuzaro de; Chavarette, Fábio Roberto [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A sociedade moderna depende fortemente de sistemas estruturais e mecânicos e, nesse contexto, o uso de materiais compósitos tem se expandido significativamente nas últimas décadas. Eles têm sido impulsionados pelas indústrias aeroespacial, automotiva, agrícola, de consumo e de energia renovável devido às suas propriedades superiores em relação aos materiais metálicos, como alta resistência e rigidez combinadas com baixa densidade e excelente resistência à corrosão. Apesar das propriedades enumeradas, os compósitos geralmente apresentam estruturas internas complexas e anisotrópicas que acabam por levar a vários tipos de danos, dificultando a identificação e previsão de potenciais falhas estruturais. Além disso, vários desses sistemas estão se aproximando do fim de sua disponibilidade de serviço e, considerando que a sua substituição é economicamente inviável, deseja-se continuar utilizando-os com segurança mesmo quando sua operação for estendida. Em todas essas situações apresentadas, o surgimento de danos deve ser detectado com antecedência, a fim de evitar falhas que possam ter impacto econômico significativo e colocar em risco a segurança da vida humana. Neste contexto, o Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) refere-se ao processo de detecção de danos às estruturas de engenharia. Um dos métodos propostos para SHM são os chamados Sistemas Imunológicos Artificiais (SIA), que simulam o sistema imunológico humano, e cujo princípio básico de funcionamento se baseia no processo de diferenciação das células endógenas para as células exógenas, tomando ações que visam a destruição dos possíveis invasores. O SIA é uma área de pesquisa que combina os campos da imunologia, ciência da computação e engenharia para resolver problemas computacionais complexos. Este trabalho visa, portanto, a implementação de uma abordagem SHM completa para detecção e localização de danos em uma placa de material compósito submetida a mudanças de temperatura e crescimento gradual de dano com base em dados de voltagem extraídos de transdutores PZT. Através de seis análises diferentes, realizando-se combinações entre tipos diferentes de leitura e processamento de sinais, alcançou-se uma metodologia otimizada para esta aplicação envolvendo tanto a análise dos sinais no domínio do tempo quanto no domínio da frequência via método de Welch que apresenta um F1-score igual a 1, 100% de acurácia e 100% de probabilidade de detecção de danos e que inclusive é capaz de localizar o caminho no qual o dano está inserido. Alcançou-se, assim, uma aplicação supervisionada que pode ser aplicada no monitoramento contínuo de estruturas de material compósito sofrendo variação de temperatura devido a sua velocidade de processamento média de 2 segundos e que possui alta capacidade de memória.
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    Intensificação da transferência de calor em trocadores de calor compactos com aletas onduladas assimétricas
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-24) Mattoso, Paulo Jorge Gonçalves da Silva; Salviano, Leandro Oliveira [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Devido ao elevado crescimento industrial, aumentou-se a necessidade do desenvolvimento de equipamentos mais eficientes, dos quais os trocadores de calor se destacam. Por causa da alta demanda desses dispositivos, é evidente a necessidade de contínuos estudos que avaliem oportunidades tecnológicas para aumentar o desempenho termo-hidráulico dos trocadores de calor, portanto, o presente trabalho avalia a intensificação da transferência de calor em um trocador de calor compacto com a combinação de técnicas passivas, a partir de aletas onduladas assimétricas aplicado a sistemas de refrigeração e climatização de ambientes. Será considerado para a abordagem computacional um modelo tridimensional, escoamento incompressível, regime estacionário e turbulento. O trocador de calor compacto terá a inserção de tubos, variando sua configuração entre tubos circulares, elípticos e mistos, seguindo um arranjo desalinhado. A perda de carga é avaliada pelo fator de atrito (f) e a transferência de calor pelo fator de Colburn (j). A comparação dos modelos assimétricos foi feita em relação a um trocador de calor com aletas onduladas simétricas. Os resultados mostraram um aumento de 3,71% do fator de Colburn no modelo com razão assimétrica < 1 para 〖Re〗_((L/H) ) = 264. O modelo com razão assimétrica > 1 apresentou uma redução no fator de Colburn (j) de 1,72%, uma diminuição no fator de atrito (f) de 9,10% e consequentemente um aumento no desempenho termo-hidráulico de 8,12%, para 〖Re〗_((L/H) )=132. No geral, as razões assimétricas tem um maior impacto na queda de pressão do que na transferência de calor, no qual o modelo R_L=1,2 permite um melhor custo-benefício para a indústria devido a seu bom desempenho termo-hidráulico em relação ao modelo padrão.
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    Efeitos da inserção de protuberâncias no desempenho de uma turbina hidráulica do tipo Francis
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-10-31) Matos Campos, Henrique; Viais Pantaleão, Aluisio; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Atualmente, o setor hidrelétrico é responsável por 63,8% da geração de energia elétrica no Brasil. Porém, devido às questões socioambientais e ao impacto causado durante a instalação de hidrelétricas para o crescimento do setor, tem-se investido na implementação de pequenas centrais hidrelétricas e modernização do parque hidrelétrico . Neste contexto a aplicação de dispositivos passivos nas turbinas hidráulicas tem se destacado, sendo a inserção de protuberâncias no bordo de ataque das pás do rotor uma das alternativas a ser estudada para melhoria dos projetos destes equipamentos, pois os impactos da aplicação deste dispositivo em turbinas hidráulicas ainda são desconhecidos . Deste modo, buscou-se avaliar, através de uma metodologia de simulação numérica, se a inserção de protuberâncias nas pás do rotor de uma turbina hidráulica é uma alternativa para aumentar a eficiência e o torque em turbinas hidráulicas e se a variação dos parâmetros estruturais das protuberâncias impactaram a eficiência e o torque deste tipo de turbina. Para isso, utilizou-se o softwares Ansys Meshing para a geração de malhas computacionais e Ansys CFX para resolver o escoamento na turbina hidráulica Francis fornecida pelo "workshop" Francis-99. Durante o estudo foram comparados o escoamento no rotor sem protuberâncias com o escoamento no rotor com diferentes configurações de protuberâncias encontradas na literatura. Nas análises não se obteve impactos significativos na eficiência do equipamento para a maioria das configurações e condições de operação testadas. Porém, na avaliação do torque percebeu-se ganhos de até 0,34% com a inserção do dispositivo apenas na pá principal e de até 0,53% ao utilizar o dispositivo tanto na pá auxiliar quanto na pá principal, sendo os maiores ganhos encontrados no ponto de máxima eficiência da turbina. Ao testar a inserção do dispositivo em uma geometria adaptada do rotor da usina hidrelétrica de Ilha Solteira, os impactos das protuberâncias foram mais significativos, propiciando ganhos de torque de até 1,77%. Além do aumento do torque houve um aumento de altura líquida de até 0,75% para a geometria da Francis-99 com protuberâncias na pá auxiliar e na pá principal e de até 4,13 para a geometria adaptada do rotor da hidrelétrica de Ilha Solteira. Avaliando o escoamento, verificou-se, que os ganhos obtidos no torque e na altura líquida foram causados pelas alterações no campo de velocidade e pressão próximo ao bordo de ataque das pás da turbina, devido a redução da pressão na superfície de sucção e do retardamento do descolamento da camada limite na superfície de pressão.
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    Projeto de aparato aeroelástico com superfície de controle e compensador
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-09-01) Sanches, Pedro Augusto Marques; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]; Bornschlegell, Augusto Salomão; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A aeroelasticidade é uma importante área da ciência que estuda as interações entre forças estruturais e aerodinâmicas. Além de estudos teóricos, envolve trabalhos experimentais, que se mostram como ferramentas ideais para verificação, validação e aprofundamento dos estudos envolvendo a aeroelasticidade. Dessa maneira, o presente trabalho compreende o projeto, o desenvolvimento, a construção e os ensaios realizados em um aparato aeroelástico com perfil NACA0012, com uma superfície de controle e compensador instalados em seu bordo de fuga. As peças do aparato são fabricadas por meio de processos de impressão 3D, são montadas e passam por processo de acabamento pós-impressão. A instrumentação do aparato é composta de equipamentos de baixo custo, como potenciômetros para registro dos movimentos do modelo. Diferentes configurações são consideradas, inclusive variando o ângulo de ataque e a velocidade de escoamento. Campanhas de ensaios são realizadas em túnel de vento e os sinais de respostas são analisados e discutidos.
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    Microsoldagem em lâminas finas de aço inoxidável aisi 316l utilizando laser pulsado nd:yag
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-09-13) Nakashima, Victor Massayuki; Ventrella, Vicente Afonso [UNESP]; Crespo, Gillian da Silva; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O processo de soldagem laser a cada dia vem sendo mais utilizado nas indústrias manufatureiras. No processo com laser pulsado é possível realizar soldas de costura em lâminas finas, através da sobreposição dos pulsos. A soldagem de sobreposição de lâminas finas apresenta problemas típicos, tais como: distorção excessiva da junta soldada, falta de contato (folga) entre as lâminas a serem soldadas, perfuração da junta e presença de altos níveis de tensões residuais. O presente trabalho estudou a influência da energia de pulso, em um processo de soldagem laser Nd:YAG, na soldagem de lâminas finas (100 µm de espessura) de aço inoxidável austenítico AISI 316L, utilizado no revestimento de sensores que trabalham em ambiente corrosivo nas indústrias sucroalcooleira, química, petroquímica e alimentícia. Variou-se a energia de pulso de 1,0 a 2,25 J, com incremento de 0,25 J. A velocidade de soldagem (ν) e a taxa de repetição (Rr ) foram fixas em 2 mm/s e 9 Hz, respectivamente. As soldas foram realizadas com proteção gasosa de argônio com vazão de 10 l/min e largura temporal igual a 4 ms. A caracterização microestrutural das juntas soldadas foi efetuada através de suas secções transversais, com revelação dos detalhes no metal de solda por meio de ataque eletroquímico com ácido nítrico 69%, tensão de 4 V e tempo ataque de 20 s. A análise mecânica dos metais de solda foi efetuada através da realização de ensaios de microdureza Vickers e de tração. Os parâmetros geométricos do cordão como (largura, profundidade e união) aumentaram em função do aumento da energia de pulso. A dureza apresentou um aumento nos cordões de solda em relação ao metal base. O limite de resistência da junta soldada aumentou no início, apresentando em seguida um pequeno decréscimo em função do aumento da energia do pulso, sendo que a amostra com energia de pulso 1,50 J foi a que apresentou os melhores resultados. Por fim, o processo mostrou-se muito sensível à presença de folga entre as lâminas, demonstrando que, o controle da energia de pulso em processo de soldagem por laser de lâmina finas, é de fundamental importância para a geração de juntas soldadas com boas propriedades mecânicas e livres de descontinuidades.
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    Parametric optimization to design a high-performance vaneless-diffuser for sCO2 centrifugal compressor
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-09-02) Mattos, Vitor Cesar Nogueira; Salviano, Leandro Oliveira; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Supercritical carbon-dioxide centrifugal compressors are machines with high potential for use in power generation plants and in the oil industry as it achieves high thermal efficiency in the Brayton cycle and assist in oil production through the capture and storage of CO2 by the EOR (Enhanced Oil Recovery) method. In this regard, to increase the performance of these machines, a three-dimensional numerical simulation (CFD) coupled with an optimization method is investigated. As well known, one-dimensional modeling for vaneless-diffuser designs is not able to predict all important flow phenomena due to several geometric parameters. Therefore, the present work aims to use the methodology optimization-surrogate coupled with CFD to optimize nine geometric input variables related to a vaneless-diffuser channel to identify the influence of each parameter on the turbomachinery performance and its sources of loss. Three different objective functions are submitted to single-optimization: Maximize total-to-total polytropic efficiency, minimize total pressure loss coefficient or maximize static pressure recovery coefficient. A reliminary geometry is created using Ansys Vista CCD for the impeller and the vaneless-diffuser is modeled as a channel of parallel plates. The sensitivity analysis is conducted using the Morris Elementary Effects method and SS-ANOVA through the response surface generated by Gaussian Process regression. The optimization procedure is fulfilled by the NSGA-II method. The main conclusions indicate that the optimized geometries increased by 2.9% the total-to-total polytropic efficiency, reduced by 24.0% the total pressure loss coefficient and increased by 11.4% the static pressure recovery coefficient at the design point operational condition. Moreover, the optimal configuration found by the optimization procedure remains with higher performance even operating at the off-design point. The strategy adopted in the present work through a combination of one-dimensional turbomachinery design with three-dimensional parametric sensitivity analysis and CFD-optimization of a vaneless-diffusers is a powerful tool for sizing high-performance equipment.
  • ItemDissertação de mestrado
    Redes neurais convolucionais na análise de vibrações para identificação de falhas de ignição em motores veiculares a combustão
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-09-01) Salmazo, Vinícius de Araújo; Paschoalini, Amarildo Tabone; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A manutenção é uma atividade que sempre existiu e que com o passar do tempo adquiriu novas dimensões, estando em constante processo de desenvolvimento. No atual cenário, as tecnologias têm evoluído rapidamente, viabilizando estudos e aplicações de novas abordagens para identificação e predição de falhas em sistemas mecânicos. Dentre as diversas invenções tecnológicas desenvolvidas pelo homem, o motor de combustão interna (MCI) se destaca pelos avanços que trouxe para a sociedade moderna. Uma de suas possíveis falhas é a falha de ignição, a qual possui diversas causas e pode ser crítica em relação ao aumento nas emissões de poluentes e perda de desempenho do motor. Trabalhos recentes têm abordado diferentes métodos para identificação da ocorrência desse tipo de falha, alguns empregando técnicas de Inteligência Artificial e Aprendizado de Máquina. Este trabalho tem como objetivo avaliar a aplicação de Redes Neurais Convolucionais (RNC) na identificação de falhas de ignição em MCIs. Para isso, um conjunto de aquisição de baixo custo foi confeccionado empregando um acelerômetro MEMS capacitivo. Sinais de vibração foram coletados a partir de dois MCIs similares de quatro cursos e ignição por centelha operando em quatro condições distintas. Os dados foram preparados no domínio da frequência em duas formas de entrada: utilizando gráficos e em formato de matrizes compactas das amplitudes. Hiperparâmetros (HPs) foram definidos para a RNC utilizando gráficos como entrada enquanto que para a RNC com dados em forma de matrizes alguns HPs foram selecionados por gridsearch. Treinando as RNCs até a convergência com dados do primeiro motor, acurácias superiores a 99% foram alcançadas para as duas redes classificando dados do banco de teste do mesmo motor. Ao classificar dados do segundo motor, o desempenho geral ficou entre 68% e 72%. Em relação ao tempo de classificação, a rede utilizando dados em formato compacto apresentou desempenho sete vezes superior, rotulando dados individuas em um tempo médio inferior a 418µs. Os resultados demonstram grande potencial de aplicação das RNCs em conjunto com o sistema desenvolvido para a tarefa proposta.
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    Investigação experimental da atenuação de vibrações em rotores flexíveis utilizando ligas com memória de forma
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-16) Preto, Eduardo; Chavarette, Fábio Roberto; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Os sistemas rotativos estão sujeitos a excitações externas e internas que provocam vibrações indesejáveis, colocando em risco a própria integridade estrutural do sistema e a segurança dos operadores. No âmbito industrial, por exemplo, a atenuação das vibrações pode permitir aos sistemas rotativos, uma operação mais eficiente e segura, proporcionando manutenções periódicas menos frequentes evitando gastos dispendiosos. Neste contexto, o controle de vibrações tem sido objeto de preocupação de inúmeros centros de pesquisa e a literatura especializada é rica em propostas de soluções para esta questão. Este trabalho apresenta uma proposta teórica e experimental de um rotor flexível contendo elementos de liga com memória de forma, cuja finalidade é o aumento da rigidez e geração de amortecimento das vibrações decorrentes de frequências naturais e forças externas, notadamente das forças de desbalanceamento. Este trabalho busca a construção de um conhecimento teórico e particularmente experimental, numa área de pesquisa de domínio restrito e relevância indiscutível.
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    On the calibration of Bouc-Wen model to describe the viscoelasticity in steady-state rolling tires
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-05-13) Raqueti, Rafael da Silva; Silva, Samuel da [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Reducing tire rolling resistance and energy loss is a topic of interest to the tire industry. Understanding and modeling these phenomena are essential to approach this problem and propose robust solutions. This work suggests a model based on the Bouc-Wen model to simulate internal variables from viscoelastic constitutive laws. Furthermore, sensitivity analysis is performed on the Bouc-Wen model parameters to evaluate their influence on the system response and capture the full range of possible values that improve the predictive ability of the suggested model. This task calculates the Sobol’ indices estimated from a Polynomial-Chaos expansion based on the Bouc-Wen parameters. Once the range of feasible model solutions is established, the proposed model is calibrated through Bayesian inference. Finally, the uncertainties are propagated, and the model is validated using data of viscoelastic internal variables from the finite element approximation of a steady-rolling tire provided by Michelin. Satisfactory results are obtained, as the proposed model can simulate viscoelastic internal variables with a reduced computational cost for some branches of interest. Its outputs are in agreement with the finite element approximation data.
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    Aplicação de aço inoxidável AISI 316L como metal de adição na soldagem do aço inoxidável duplex UNS S32205 com laser pulsado Nd: YAG
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-06-09) Nakashima, Paulino Yoshiaki; Ventrella, Vicente Afonso [UNESP]; Crespo, Gillian da Silva; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A indústria de óleo e gás enfrenta ambientes extremamente agressivos, o que exige a utilização de materiais com elevadas resistências à corrosão e tenacidade, propriedades essas normalmente encontradas em ligas especiais, como os aços inoxidáveis duplex e superduplex. Esses aços apresentam microestrutura balanceada, com frações volumétricas de aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita. Porém, ao serem soldados, devido à alta velocidade de resfriamento, assoaciado a um elevado aporte térmico, a zona fundida resultante é predominantemente ferrítica. O processo a laser Nd: YAG representa uma boa alternativa para esses materiais, visto que oferece energia relativamente baixa, concentrada no cordão de solda, consequentemente em uma ZTA (Zona Termicamente Afetada) estreita. Embora esse processo apresente uma boa qualidade na soldagem de aços inoxidáveis duplex e superduplex, ainda enfrentamos desbalanceamento das fases ferrita e austenita na zona fundida. O presente trabalho investigou a variação no balanceamento dessas fases na região de solda, por meio da adição de uma lâmina fina de aço inoxidável AISI 316L, na união de chapas finas de aço inoxidável duplex UNS S32205. Foram confeccionadas 4 amostras com diferentes espessuras para o metal de adição (0,050mm, 0,100mm, 0,200mm e 0,300mm). As amostras foram soldadas em juntas de topo, sem abertura de raiz, com laser Nd:YAG na condição pulsado. A análise de EDS na junta soldada apontou uma maior presença de Ni à medida em que houve aumento da espessura do metal de adição, com o Ni contribuindo em um aumento na formação de austenita. A amostra com 0,300mm de metal de adição foi a amostra que apresentou os melhores resultados, com uma boa formação do cordão, sem porosidades e trincas, fração volumétrica similar à encontrada no metal base com 51,9% de austenita e 48,1% de ferrita, menor variação de dureza, em relação ao metal base, maior resistência à corrosão no ensaio de corrosão por pites.