Análise geométrica através do design construtal de conversores de energia das ondas do mar do tipo coluna de água oscilante com câmaras hidropneumáticas acopladas

O presente trabalho apresenta um estudo sobre dispositivos conversores de energia das ondas do mar do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO) com câmaras hidropneumáticas acopladas. Assim, na presente investigação o objetivo, através da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, busca-se maximizar a potência hidropneumática (Phyd) disponível. São analisadas cinco configurações geométricas, sendo que em cada configuração definida ocorre a variação de onze geometrias, onde ocorre o incremento do número de câmaras acopladas a cada caso estudado. No caso com duas câmaras acopladas complementase o estudo verificando os graus de liberdade referente à altura e espessura da coluna que divide as câmaras. Considerando um domínio bidimensional, as restrições para este estudo são: os volumes de entrada dos dispositivos (VEn) e os volumes totais (VTn). Os graus de liberdade analisados foram: H2 (altura da parede que divide os dois dispositivos), e2 (espessura da parede que divide os dispositivos) e Hn/Ln (razão entre altura e largura das câmaras hidropneumáticas). Os graus de liberdade Hn/lj (razão entre altura e largura do duto da turbina) e Hdepth (profundidade de submersão) foram mantidos constantes. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com um dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos indicam que para o grau de liberdade Hn/Ln = 0,2613 (Hn = 4.1335 m e Ln = 15.8219 m) é determinado o mais alto valor para os indicadores de desempenho ([Phyd]máx = 30.8 kW, ṁ = 82,1 kg/s e P = 8820,8 Pa). Já o caso de mais baixo desempenho apresenta o grau de liberdade Hn/Ln = 0,0153 (Hn = 1 m e Ln = 65,4 m) com resultados [Phyd]máx = 257,9 W, ṁ = 6,22 kg/s e P = 454,6 Pa. Assim, verifica-se que a variação geométrica e o incremento de câmaras hidropneumáticas, tem um fator importante e decisivo na conversão energética de dispositivos do tipo CAO, destacando-se que a distribuição de energia total não é linear para os casos de mais de duas câmaras acopladas.The present work presents studies sea wave energy converter devices of the Oscillating Water Column (OWC) type with coupled hydropneumatic chambers. Thus, in this investigation, the objective, through computational modeling and the use of Constructal Design, seeks to maximize the available hydropneumatic power (Phyd). Five geometric configurations are analyzed, and in each defined configuration there is a variation of eleven geometries, where there is an increase in the number of chambers coupled to each case studied. In the case of two coupled chambers, the study is complemented by checking the degrees of freedom regarding the height and thickness of the column that divides the chambers. Considering a two-dimensional domain, the restrictions for this study are the input volumes of the devices (VEn) and total volumes (VTn). The degrees of freedom analyzed were: H2 (height of the wall that divides the two devices), e2 (wall thickness that divides the devices) and Hn/Ln (ratio between height and length of the hydropneumatic chambers), some degrees of freedom were kept constant Hn/lj (ratio between height and length of the turbine duct). A computational fluid dynamics code is used for the numerical solution, FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The multiphase model Volume of Fluid (VOF) is applied in the treatment of water-air interaction. A wave tank represents the computational domain with a CAO device attached. The results obtained indicate that the degree of freedom Hn/Ln = 0,2613 (Hn = 4.1335 m and Ln = 15.8219 m) determines the highest value for the performance indicators. ([Phyd]máx = 30.8 kW, ṁ = 82,1 kg/s e P = 8820,8 Pa), the lowest performing case shows the degree of freedom Hn/Ln = 0,0153 (Hn = 1 m and Ln = 65,4 m) with results [Phyd]máx = 257,9 W, ṁ = 6,22 kg/s e P = 454,6 Pa. Thus, it appears that the geometric variation and the increment of hydropneumatic chambers have an important and decisive factor in the energy conversion of CAO devices, noting that the total energy distribution is not linear for cases of more than two coupled chambers

APLICAÇÃO DO MÉTODO DESIGN CONSTRUTAL NA AVALIAÇÃO NUMÉRICA DA POTÊNCIA HIDROPNEUMÁTICA DE UM DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO MAR DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE COM REGIÃO DE TRANSIÇÃO TRAPEZOIDAL

O presente trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a região de transição entre a câmara hidropneumática e a chaminé de um dispositivo conversor do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO). O objetivo é maximizar a potência hidropneumática, considerando uma geometria trapezoidal na região de transição do dispositivo CAO, situada entre a câmara hidropneumática e a chaminé. Os resultados são comparados através do valor de potência hidropneumática obtido para as diferentes configurações geométricas. O Design Construtal, associado ao método de busca exaustiva, foi empregado para definir a geometria que maximiza a potência hidropneumática. Os graus de liberdade estudados foram o ângulo de inclinação da parede entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO (α), a razão entre altura e comprimento da chaminé do dispositivo (H2/l) e a profundidade de submersão do dispositivo (H3). O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com o dispositivo CAO acoplado. O software FLUENT foi empregado para a solução numérica das equações, baseada no Método dos Volumes Finitos (MVF). A construção da geometria e a geração da malha foram realizadas no software GAMBIT. Na interação entre as fases ar e água, foi aplicado o método Volume of Fluid (VOF). Os resultados encontrados mostram um potência de 587,31 W para o caso de melhor desempenho, enquanto que 46,14 W determinam a potência para o caso de mais baixo desempenho. Estes resultados apresentam uma diferença de 92,14 % em relação ao mais alto e o mais baixo desempenho de potência hidropneumática.Palavras-chave: Design Construtal, Trapezoidal, CAO

INVESTIGAÇÃO NUMÉRICA E GEOMÉTRICA DA REGIÃO DE TRANSIÇÃO TRAPEZOIDAL ENTRE A CÂMARA HIDROPNEUMÁTICA E A CHAMINÉ DE UM DISPOSITIVO CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO MAR EM ENERGIA ELÉTRICA DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSICLANTE

O presente trabalho contempla o estudo da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, para analisar diferentes configurações geométricas da região de transição trapezoidal entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo Coluna de Água Oscilante (CAO) e assim maximizar a potência hidropneumática. Considerando um domínio bidimensional, as restrições do problema são: área de entrada da câmara hidropneumática (A E ), área total da câmara CAO (A T). Os graus de liberdade analisados são: o ângulo de inclinação da parede entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO (α) e a razão entre altura e comprimento da chaminé do dispositivo (H2/l), no presente trabalho os graus de liberdade H1/L (razão entre altura e comprimento da câmara hidropneumática) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo) são mantidos constantes. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica de fluidos computacional, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com o dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos mostram que a máxima potência hidropneumática de 451,15 W é obtida para os graus de liberdade H2/l = 4 e α = 5, enquanto o caso com menor desempenho apresenta uma potência hidropneumática de 98,57 W para os graus de liberdade H2/l = 2,3 e α = 45. Este resultado mostra um ganho de 78,15 % em relação ao caso com menor desempenho de potência. Palavras-chave: Design Construtal, Coluna de Água Oscilante (CAO), otimizaçãogeométrica, região de transição trapezoidal

MODELAGEM COMPUTACIONAL E MÉTODO CONSTRUCTAL DESIGN APLICADOS A UM CONVERSOR DE ENERGIA DAS ONDAS DO MAR DO TIPO COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE (CAO) ANALISANDO A INFLUÊNCIA EM SEU DESEMPENHO DA VARIAÇÃO DA RAZÃO ENTRE O VOLUME DE ENTRADA E O VOLUME TOTAL DA CÂMARA HIDROPNEUMÁTICA

O presente trabalho trata de simular numericamente o princípio de funcionamento do conversor do tipo Coluna de Água Oscilante (CAO), considerando uma onda regular em escala real. O objetivo é avaliar a influência da razão entre o volume de entrada da câmara hidropneumática (VE) e volume total da câmara (VT) no desempenho de um conversor do tipo CAO. São analisados nove valores diferentes para a relação VE/VT. Através do Constructal Design é analisada a geometria que conduz ao melhor desempenho, buscando maximizar a conversão da energia das ondas regulares em energia elétrica, sendo a potência disponível, considerada a função objetivo do problema. Foi estudado o grau de liberdade razão entre a altura da câmara hidropneumática (H1) e o comprimento da câmara (L). O domínio computacional é representado por um tanque de ondas, com o dispositivo CAO acoplado. O software FLUENT foi empregado na solução numérica das equações, baseada no Método dos Volumes Finitos (MVF). A construção da geometria e a geração da malha foram realizadas no software GAMBIT. Na interação entre as fases ar e água foi aplicado o método Volume of Fluid (VOF). Foi observado que ao alterar a relação entre os volumes de entrada e total do dipositivo CAO (VE/VT), a pressão aumenta e a vazão mássica não é influenciada pela variação dessa relação. Conclui-se que, o que contribui na maximização da vazão mássica é a relação (H1/L). A pressão é influenciada pela razão VE/VT. A potência é uma composição do gradiente de pressão e vazão mássica.Palavras-chave - Coluna de Água Oscilante, Energia das Ondas regulares, Constructal Design

Aplicação do método Design Construtal na avaliação numérica da potência hidropneumática de um dispositivo coluna de água oscilante com região de transição trapezoidal ou semicircular e estudo da influência da turbina no formato elíptico

A conversão da energia das ondas dos oceanos em energia elétrica é uma alternativa para o problema da falta de combustíveis fósseis. Uma das possibilidades de aproveitamento é através de dispositivos cujo princípio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO). No presente trabalho o objetivo é, através da modelagem computacional e do emprego do Design Construtal, maximizar a potência hidropneumática de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar do tipo CAO. São analisados diferentes eixos da restrição física, no formato elíptico, que representa a turbina, e duas formas geométricas na região de transição entre a câmara hidropneumática e a chaminé do dispositivo CAO: trapezoidal e semicircular. Considerando um domínio bidimensional, as restrições para estes problemas são: Área da restrição elíptica (AR), Área total do dispositivo (AT) e razão entre a área da restrição elíptica e a área total (ϕn). Os graus de liberdade analisados são: a razão entre os comprimentos dos eixos da restrição elíptica (d1/d2) para o caso da restrição física da turbina, o ângulo de inclinação da parede (α) para o caso com região de transição trapezoidal, o raio (r) e H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) para o caso com região de transição semicircular. Para a solução numérica é empregado um código de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é aplicado no tratamento da interação água-ar. O domínio computacional é representado por um tanque de ondas com um dispositivo CAO acoplado. Os resultados obtidos indicam que, para o estudo da região de transição trapezoidal o desempenho do conversor tem aproximadamente o mesmo desempenho para todas as geometrias estudadas. A região de transição semicircular, apresenta resultados para os quais foi possível otimizar a potência hidropneumática. O estudo da turbina indica que foi possível determinar uma geometria capaz de converter a energia da onda incidente ao dispositivo, sem que ocorresse a obstrução do escoamento de ar na chaminé do dispositivo CAO. Assim, mostra-se a relação entre o método Design Construtal e o clima de ondas na definição das dimensões que maximizam a potência hidropneumática.The conversion of ocean’s wave energy into electrical energy is an alternative for the scarcity of fossil fuels. One of the possibilities of energy use is through devices, whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC). In this work the aim is, through computer modeling and the Constructal Design, to maximize hydropneumatic power of a power converter device type OWC. Different axes of physical constraint with elliptical shape, representing the effect of the turbine , are analyzed. Two geometric shapes in the transition region between the hydropneumatic chamber and the chimney OWC device, trapezoidal and semicircular, are also analyzed. Considering a two-dimensional domain the restrictions for this problem are: Elliptical restriction area (AR), Total area device (AT) and the ratio between the area of the elliptical restraint and the total area (ϕn). The considered degrees of freedom are: the ratio between the lengths of the axes (d1/d2) of the elliptical restraint, for the turbine’s physical constraint case, the inclination angle (α) of the wall for the trapezoidal transition case, and the radius (r) and H2/l (ratio between height and length of output chimney CAO) for the semicircular transition region case. For the numerical solution, a commercial code of computational fluid dynamics, FLUENT®, which is based on the Finite Volume Method (FVM), is employed. The multiphase model Volume of Fluid (VOF) is applied in the treatment of water-air interaction. The computational domain is represented by a wave tank with a fixed OWC device. The obtained results indicate that, for the study of the trapezoidal transition region, the performance of converter don’t seems to be compensatory only by changing the geometry of the trapezoidal area. However, for the semicircular transition region, it was possible to optimize a hydropneumatic power. The study of turbine effect indicates a geometry capable of converting the energy of the incident wave to the device, without obstructing the air flow in the chimney of de OWC, showing the relationship between the Constructal Design method and the wave climate in the definition of the dimensions that maximize the hydropneumatic power

Tecnologia e modelos físicos : a utilização dos plickers e a construção do medidor de distâncias no ensino da matemática

O presente trabalho é um estudo referente ao ensino de matemática com o uso de tecnologias e por meio da construção de modelos físicos com o intuito de transformar o aprender matemática mais próximo de situações reais, como a utilização dos smatphones e a construção de modelos presentes no cotidiano como medidores de distâncias. O trabalho é dividido em dois momentos: (i) estudo da utilização do aplicativo Plicker como auxiliar do professor no processo de ensino e (ii) construção de um medidor de distâncias aplicando conceitos matemáticos de forma a associar matemática a problemas reais. Por se tratar de um estudo plural, isto é, se apresenta com assuntos ligados a tecnologia e mecanismos, a metodologia utilizada também se faz plural, assim utilizou-se como referencial teórico os textos de Erick Mazur, referente ao peer instruction ou instrução aos pares, quando o assunto abordado era referente ao estudo do aplicativo Plickers. Em relação a construção do medidor de distâncias, os referenciais teóricos utilizados foram os textos de Jorge Larossa e Ole Skovsmose, em que o primeiro traz a discussão referente a experiência e como ela é capaz de transformar o aprender e o segundo apresenta os ambientes de aprendizagem e como transitar entre os mesmos. As duas práticas pedagógicas ocorreram em uma escola da rede pública de Porto Alegre durante o ano de 2018. Os resultados observados, mostraram uma aceitação por parte dos alunos em relação ao uso dos Plickers, em que por ser um diferencial nas aulas por trazer ao professor informações imediatas referente ao entendimento dos alunos sobre determinada matéria e a construção dos modelos físicos (medidor de distâncias) apresentou o resultado referente a experiência, no qual pode proporcionar ao aluno mecanismos diferenciados para entendimento de um assunto abordado na construção do mesmo.The present work is a study about the teaching of mathematics through the use of technologies and through the construction of physical models with the intention of transforming mathematical learning closer to real situations, such as the use of smatphones and the construction of models present in the as distance meters. The work is divided in two moments: (i) study of the use of the Plicker application as an auxiliary of the teacher in the teaching process and (ii) construction of a distance meter applying mathematical concepts in order to associate mathematics with real problems. Because it is a plural study, that is to say, it presents itself with subjects related to technology and mechanisms, the methodology used also becomes plural, thus using as theoretical reference the texts of Erick Mazur, referring to peer instruction or instruction in pairs , when the subject addressed was referring to the study of the Plickers application. In relation to the construction of the distance gauge, the theoretical references used were the texts of Jorge Larossa and Ole Skovsmose, in which the first one brings the discussion regarding experience and how it is able to transform learning and the second presents the learning environments and how to transit between them. The two pedagogical practices occurred in a public school in Porto Alegre during the year 2018. The observed results showed an acceptance by the students regarding the use of Plickers, in that it is a differential in the classes to be brought to the teacher Immediate information concerning the students' understanding of a given subject and the construction of the physical models (distances meter) presented the result related to the experience, in which it can provide the student with differentiated mechanisms for understanding a subject addressed in the construction of the same