[pt] ANÁLISE DE SENSIBILIDADE PARA O PROJETO E CONTROLE DE SISTEMAS FLUIDO TÉRMICOS USANDO O MÉTODO ADJUNTO BASEADO EM DINÂMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

[en] SENSITIVITY ANALYSIS FOR CONTROL OF THERMAL-FLUID SYSTEMS USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS-BASED ADJOINT METHOD

[pt] JAVIER ALIAGA RIVERA

[pt] METODO DO ELEMENTO FINITO

[pt] METODO DA ADJUNTA CONTINUA

[pt] METODO DA ADJUNTA DISCRETA

[pt] MECANICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL

[pt] OTIMIZACAO PARAMETRICA

[pt] METODO DOS VOLUMES FINITOS

[pt] OTIMIZACAO TOPOLOGICA

[en] FINITE ELEMENT METHOD

[en] CONTINUOUS ADJOINT METHODO

[en] DISCRETE ADJOINT METHOD

[en] COMPUTATIONAL FLUID MECHANICS

[en] PARAMETRIC OPTIMIZATION

[en] FINITE VOLUME METHOD

[en] TOPOLOGY OPTIMIZATION

[pt] Neste trabalho, realizamos uma análise de sensibilidade para o projeto e controle de sistemas termofluidos usando o método da adjunta baseado em dinâmica de fluidos computacional. Para ilustrar o método, o fluido é modelado pela equação incompressível de Navier-Stokes adicionando a abordagem de penalização de Brinkman para representar o material sólido em regiões específicas do domínio e a transferência de calor é modelada por uma equação de convecção-difusão em estado estacionário. O sistema de equações é discretizado usando o método dos elementos finitos e o método dos volumes finitos implementados no Matlab e OpenFOAM, respectivamente. Consideramos três tipos de parâmetros de projeto (controle) com relação aos quais a sensibilidade é determinada: primeiro, os componentes de velocidade nos limites de entrada, segundo, a posição e o tamanho das fontes que atuam como bloqueio de fluxo e, finalmente, a pseudodensidade que determina a distribuição de material no domínio computacional. A análise de sensibilidade começa comparando as variáveis adjuntas contínuas e discretas para funções de custo específicas. Em seguida, verificamos as sensibilidades comparando-as com as sensibilidades obtidas pelo método de diferenças finitas. Obtivemos boa concordância em todos os casos e comprovamos a robustez do método. A seguir, são apresentados dois estudos de caso. A localização e tamanho ideais de fontes discretas no domínio; e a otimização da topologia de um trocador de calor, considerando fontes de calor em regiões específicas do domínio, bem como condições de contorno de convecção, visando minimizar uma determinada função de custo enquanto limita a dissipação de energia no canal. Vários estudos numéricos também foram realizados para diferentes configurações e condições de operação. Os diferentes casos mostram o desempenho do método aplicando-o ao projeto ótimo com pouco esforço computacional.

[en] In this work, we perform a sensitivity analysis for the design and control of thermo-fluid systems using computational fluid dynamics based adjoint method. To illustrate the method, the fluid is modeled by the incompressible Navier-Stokes equation adding the Brinkman penalization approach to represent solid material in specific regions of the domain and the heat transfer is modeled by a convection-diffusion equation at steady state. The system of equations is discretized using the finite element method and the f inite volume method implemented in Matlab and OpenFOAM, respectively. We consider three types of design (control) parameters with respect to which the sensitivities were determined: first, the velocity components at the inlet boundaries, second, the position and size of the sources acting as flow blockage, and finally, the pseudo-density that determines the material distribution in the computational domain. The sensitivity analysis begins by comparing the continuous and discrete adjoint variables for specific cost functions. We then check the sensitivities by comparing them with sensitivities obtained by the f inite difference method. We obtain good agreement in all cases and prove the robustness of the method. Next, two case studies are presented. The optimal location and size of discrete sources in the domain; and the topology optimization of a heat exchanger, considering heat sources in specific regions of the domain as well as convection boundary conditions, aiming to minimize a given cost function while limiting the power dissipation in the channel. Several numerical studies have also been performed for different configurations and operating conditions. The different cases show the performance of the method by applying it to the optimal design with little computational effort.

MARCOS SEBASTIAO DE PAULA GOMES

MARCOS SEBASTIAO DE PAULA GOMES

ANGELA OURIVIO NIECKELE

IVAN FABIO MOTA DE MENEZES

EMILIO CARLOS NELLI SILVA

ANTONIO ANDRE NOVOTNY

2026-03-16

2022-05-31

[pt] TEXTO

application/pdf

INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=75644@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=75644@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.75644