Simulação numérica e otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes

Abstract

RESUMOO propósito deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para otimização da eficiência hidráulica e da potência mecânica da turbina de Arquimedes. Para isso, utilizou-se dinâmica de fluidos computacional juntamente com modelos analíticos e empíricos para se calcular os parâmetros de interesse da turbina. Um algoritmo computacional foi desenvolvido através da linguagem Python que, por sua vez, executa os softwares SALOME, OpenFOAM e o método BOBYQA, o qual consiste em aproximações iterativas da função objetivo por meio de curvas quadráticas. As equações analíticas e empíricas empregadas foram derivadas de modelos existentes na literatura e aplicadas na determinação do vazamento pelas frestas entre as pás móveis e a calha fixa da turbina. A simulação numérica desse tipo de vazamento exige grande refinamento localizado, devido à alta razão entre o diâmetro das pás e a largura da fresta. Assim, durante as simulações numéricas as frestas foram desconsideradas do domínio computacional e, para corrigir as soluções, subtraiu-se o vazamento pré-estimado da vazão total da turbina. Primeiramente, foram validados os resultados referentes ao vazamento por frestas, os quais apresentaram boa concordância com dados da literatura. Um estudo de caso permitiu ajustar as curvas desse vazamento em função do diâmetro da turbina de Arquimedes. Concluiu-se que a perda de eficiência devido a esse efeito foi mais significativa em turbinas com menores diâmetros e com maiores inclinações. As potências mecânicas e as eficiências hidráulicas calculadas nas simulações numéricas da turbina de Arquimedes foram próximas de dados numéricos e experimentais existentes na literatura. Observou-se que a perda de potência por efeitos viscosos aumentou em altas rotações. Além disso, o aumento da rotação também reduziu o preenchimento da turbina, causando refluxos na descarga e perda de eficiência. Por outro lado, baixas rotações elevaram o preenchimento e causaram perdas por sobrepreenchimento. As otimizações com uma variável necessitaram de até sete iterações para determinar pontos ótimos e as multiparamétricas, até quatorze iterações. A maior eficiência hidráulica determinada foi de 88,2%. Observou-se também que as maiores eficiências hidráulicas ocorreram em níveis de preenchimento próximos a 40% na entrada do parafuso. Em tais condições, os vazamentos por sobrepreenchimento foram eliminados ou reduzidos, o que contribuiu para o aumento da eficiência da turbina de Arquimedes.