Modelação numérica de um dispositivo pontual de aproveitamento de energia das ondas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Modelação numérica de corpos flutuantes – extratores pontuais

Os conversores pontuais de energia das ondas baseiam-se no movimento de um flutuador. Neste trabalho modela-se a resposta de um corpo flutuante quando excitado por ondas regulares e irregulares. Ao contrário da engenharia naval, onde se pretende minimizar os movimentos de um navio face à agitação, na conversão da energia das ondas interessa que o comportamento do corpo flutuante seja ressonante. No entanto, ambos os problemas são modelados pelos mesmos modelos matemáticos. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um modelo numérico que permita conhecer o movimento do flutuador quando livre ou ligado a um sistema de conversão de energia Power Take-off (PTO). Nesta dissertação considera-se que o corpo tem apenas liberdade para efetuar movimentos de arfagem. A resolução numérica da dinâmica do extrator apoia-se na teoria linear, sendo nesta dissertação efetuada com recurso ao código comercial Ansys – AQWA, de utilização comum em problemas offshore. Numa primeira fase simulam-se situações para as quais existem resultados publicados na bibliografia, validando-se a metodologia utilizada. Posteriormente, estuda-se o comportamento do sistema de extração para ondas regulares e estados do mar típicos. Variam-se os coeficientes de amortecimento, elásticos e a massa quer do flutuador quer do sistema PTO, otimizando a extração de energia. Utilizam-se análises no tempo e na frequência. O estudo permitiu concluir que é fundamental, do ponto de vista da eficiência energética, que o sistema funcione com características ressonantes, o que é conseguido quando a velocidade do flutuador está em fase com a força de excitação hidrodinâmica. O ajuste da condição de ressonância é conseguida variando os coeficientes elásticos e massa do PTO ou a massa do flutuador.

Modelação numérica de entrada em ponte ferroviária

O crescente interesse pelo transporte ferroviário de alta-velocidade como transporte de médio curso obriga ao estudo do comportamento de vias-férreas para cumprir requisitos funcionais. As zonas de transição são um dos locais problemáticos que requerem um estudo aprofundado, onde a modelação numérica surge como uma poderosa ferramenta de análise. Neste trabalho é analisado o comportamento de um modelo numérico bidimensional de uma entrada numa ponte ferroviária situada sobre o Rio Sado e que faz parte da variante de Alcácer do Sal. Trata-se de um modelo numérico bidimensional de elementos lineares elásticos com uma execução mais rápida em relação a outros modelos. A resposta deste modelo é comparada com resultados de um modelo numérico tridimensional validado na mesma transição. Para atingir resultados fiáveis, o modelo bidimensional foi alvo de uma parametrização precisa que consistiu num processo de calibração com o modelo tridimensional referido anteriormente. As curvas de receptância da via foram o principal meio de calibração entre os dois modelos. Deste modo, realizou-se um estudo paramétrico de ambos os modelos para avaliar a influência de diversos parâmetros no cálculo de curvas de receptância. Analisou-se, também, o comportamento deste modelo para diferentes velocidades de circulação do veículo. Dentro deste campo foi dado especial atenção ao fenómeno da velocidade crítica de um veículo num solo flexível.

Modelação numérica do carregamento de uma estrutura confinada sujeita a uma onda de choque explosiva

A ocorrência de explosões em indústrias e em infraestruturas civis quer acidentais quer devido a ataques terroristas, vêm colocando à engenharia cada vez maiores desafios relativos à conceção de soluções que aumentem a proteção dessas infraestruturas contra os efeitos das explosões. Neste trabalho, utilizou-se um hidrocódigo comercial, o LS-DYNA, no tratamento e simulação de problemas envolvendo ondas de choque explosivas tendo-se realizado um estudo paramétrico do efeito da detonação de um alto explosivo no interior de um compartimento fechado, de geometria prismática retangular, em que as dimensões foram sendo variadas. Foi necessário calibrar previamente o modelo geométrico escolhido bem como os parâmetros utilizados para gerar a onda de choque explosiva, de forma a assegurar a consistência dos resultados, dado que não foi possível a realização de ensaios experimentais. Foi utilizada uma malha multimaterial Arbitrária Lagrangiana-Euleriana (MMALE), com recurso a elementos sólidos com um único ponto de integração, recorrendo ao método das diferenças finitas centrais para as integrações em relação ao tempo, tendo-se utilizado como base de calibração a literatura consultada. Os dados obtidos no estudo paramétrico foram tratados recorrendo a métodos estatísticos de regressão de forma a se obter uma relação fenomenológica para prever as pressões máximas dentro de um compartimento.

Modelação numérica da reflexão e do espraiamento em praias e em estruturas marítimas

As preocupações de projetistas na conceção de estruturas marítimas utilizando modelos numéricos como ferramentas de dimensionamento, prendem-se com a sua fiabilidade, tempo de processamento e precisão. Assim, a calibração e validação de modelos numéricos é essencial para os tornar ferramentas úteis para o projeto de obras marítimas. A presente dissertação tem como objetivo a calibração e validação do modelo numérico AMAZON, baseado na teoria da onda em condições de águas pouco profundas, para dois casos de estudo distintos com base em dados de ensaios realizados anteriormente. O primeiro caso consiste no estudo do espraiamento numa praia barra-fossa cujas condições de batimetria, nível da água e condições de agitação marítima inseridas no AMAZON correspondem às de ensaios em modelo físico realizados à escala 1:5 na Universidade Politécnica da Catalunha, Barcelona. Como o modelo utiliza parâmetros que devem ser calibrados, na sua aplicação e exploração realizou-se um estudo de sensibilidade a esses parâmetros. Com base nos resultados do AMAZON, utilizaram-se programas desenvolvidos em MatLab para o cálculo do espraiamento e do coeficiente de reflexão e compararam-se os resultados com os obtidos nos ensaios em modelo físico. Verificou-se que os resultados do AMAZON são bastante próximos dos valores obtidos pelos ensaios. O segundo caso consiste no estudo de uma estrutura conversora de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante - OWC-WEC (Oscillating Water Column - Wave Energy Converter), para a qual o modelo AMAZON nunca tinha sido utilizado. Os dados introduzidos no modelo relativos ao perfil da estrutura, nível da água e condições de agitação correspondem aos dos ensaios realizados à escala 1:35 no LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil). Realizou-se um estudo de sensibilidade dos parâmetros do modelo no que respeita à elevação da superfície livre junto e no interior da câmara de água, ao fator de amplificação e ao desfasamento, e compararam-se os resultados com os obtidos nos ensaios em modelo físico. Os resultados do AMAZON constituem um incentivo para a realização e/ou análise de ensaios para diferentes profundidades, aberturas da parede vertical da câmara de água e períodos de onda incidente, que permitam calibração e validação adicionais dos parâmetros do modelo.

Modelação numérica de túneis com consideração explícita das heterogeneidades do maciço

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Modelação numérica de uma solução de reforço de solos para fundações de aerogeradores

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Simulação numérica de escoamentos hipersônicos em não-equilíbrio termo-químico através do método dos elementos finitos

o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um código computacional destinado à simulaçáo numérica tridimensional e de escoamentos compressíveis hipersônicos em especial para analisar o processo de reentrada de veículos espaciais na atmosfera terrestre. Devido ás temperaturas elevadas encontradas neste tipo de escoamento, efeitos de altas temperaturas sáo incluídos, como excitação vibracional das moléculas e reações químícas. Utiliza-se o modelo de 2 temperaturas (translacional e vibracional);5 espécíes (N2, O2, NO, N, O) e 17 reações químicas de Park [1986 para o modelamento do fenômeno termo-químico. Introduz-se uma formulação baseada no método dos elementos finitos, através do esquema de Taylor-Calerkin, para a discretização do tempo e do espaço e para a solução do sistema de equações. Alguns exemplos e aplicações de problemas hipersônicos bi e tridimensionais, difusivos e não difusivos, são apresentados, incluindo comparações entre os resultados obtidos no presente trabalho e na literatura.

Análise numérica de escoamentos turbulentos tridimensionais empregando o método de elementos finitos e simulação de grandes escalas

O presente trabalho apresenta o estudo e implementação de um algoritmo numérico para análise de escoamentos turbulentos, tridimensionais, transientes, incompressíveis e isotérmicos, através da Simulação de Grande Escalas, empregando o Método de Elementos Finitos. A modelagem matemática do problema baseia-se nas equações de conservação de massa e quantidade de movimento de um fluido quase-incompressível. Adota-se um esquema de Taylor-Galerkin, com integração reduzida e fórmulas analíticas das funções de interpolação, para o elemento hexaédrico de oito nós, com funções lineares para as componentes de velocidade e constante no elemento para a pressão. Para abordar o problema da turbulência, emprega-se a Simulação de Grandes Escalas, com modelo para escalas inferiores à resolução da malha. Foram implementados o modelo clássico de Smagorinsky e o modelo dinâmico de viscosidade turbulenta, inicialmente proposto por Germano et al, 1991. Uma nova metodologia, denominada filtragem por elementos finitos independentes, é proposta e empregada, para o processo de segunda filtragem do modelo dinâmico. O esquema, que utiliza elementos finitos independentes envolvendo cada nó da malha original, apresentou bons resultados com um baixo custo computacional adicional. São apresentados resultados para problemas clássicos, que demonstram a validade do sistema desenvolvido. A aplicabilidade do esquema utilizado, para análise de escoamentos caracterizados por elevados números de Reynolds, é discutida no capítulo final. São apresentadas sugestões para aprimorar o esquema, visando superar as dificuldades encontradas com respeito ao tempo total de processamento, para análise de escoamentos tridimensionais, turbulentos e transientes .

Simulação numérica de escoamentos incompressíveis pelo método de elementos finitos com esquema de Separação Baseado na Característica (CBS)

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Simulação numérica de escoamentos de fluidos com efeitos de rotação

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Simulação numérica de escoamentos hipersônicos sobre corpos rombudos pelo método de elementos finitos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Simulação numérica de escoamentos de fluidos pelo método de elementos finitos baseado em volumes de controle em malhas não estruturadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Simulação numérica de escoamentos de fluidos pelo método de elementos finitos de mínimos quadrados

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)