O presente trabalho destina-se ao estudo numérico da geometria de tubos de seção elíptica que facilite a transferência de calor adimensional e diminua a queda de pressão adimensional (Δ̃) sofrida pelo escoamento. O método aplicado é o Design Construtal, que visa determinar a geometria que apresentará a menor resistência ao escoamento, ou seja, busca-se determinar a razão de aspecto da elipse (=⁄) que favorece a transferência de calor e diminui a queda de pressão do escoamento. O fluido empregado neste estudo apresenta características de viscoplasticidade. A relação entre a tensão cisalhante e a taxa de deformação obedece ao modelo de Herschel-Bulkley modificado. Considera-se que o escoamento é incompressível, laminar, bidimensional, externo e ocorre em regime permanente. A solução numérica do problema proposto é realizada com um código comercial baseado no método dos volumes finitos. É investigada a influência do índice de potência, , sobre a seção elíptica que facilita o escoamento e, para isso, este índice é variado de 0,4 a 1. A influência dos números de Reynolds (√), Herschel-Bulkley (√) e Prandtl (√) sobre o comportamento do escoamento também é avaliada. √ é variado de 1 a 40, √ é variado de 1 a 100 e √ é variado de 0,1 a 100 Os resultados mostram que, para um escoamento com √=1, √=1 e √=1, o aumento do índice de potência influencia negativamente na transferência de calor adimensional e a seção elíptica, que maximiza esta transferência de calor adimensional, tende a ser mais alongada na direção do escoamento. Já e influenciam positivamente na transferência de calor adimensional. Para um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que com o aumento de a razão de aspecto ótima (q,opt), do ponto de vista térmico, diminui. Quando é considerado um escoamento com √=1, √=1, =0,4 conclui-se que q,opt diminui com o aumento de , ou seja, a elipse torna-se mais alongada no sentido do escoamento. A variação de √ em um escoamento com √=1, √=1, =0,4 mostra que o aumento deste parâmetro acarreta em aumento da taxa de transferência adimensional e de Δ̃. / The present work is aimed at the numerical study of the geometry of elliptic section tubes that facilitates the dimensionless heat transfer and decreases the dimensionless pressure drop (Δ̃) suffered by the flow. The applied method is the Construtal Design, which aims to determine the geometry that will present the least resistance to the flow, that is, to determine the aspect ratio of the ellipse (=⁄) that favors heat transfer and decreases the flow pressure drop. The fluid used in this study has viscoplasticity characteristics. The relationship between shear stress and strain rate follows the modified Herschel-Bulkley model. It is considered that the flow is incompressible, laminar, two-dimensional, external and occurs in steady state. The numerical solution of the proposed problem is carried out with a commercial code based on the finite volume method. The influence of the power index, n, on the elliptical section facilitating the flow is investigated, and for this, the index is varied from 0.4 to 1. The influence of the Reynolds number (√), Herschel-Bulkley number (√) and Prandtl number (√) on the flow behavior is also evaluated √ is varied from 1 to 40, √ is varied from 1 to 100 and √ is varied from 0.1 to 100. The results show that for a flow with √=1, √=1 and √=1, the increase of the power index negatively influences the dimensionless heat transfer and the elliptic section, which maximizes this dimensionless heat transfer, tends to be more elongated in the direction of flow. Already √ and √ influence positively the dimensionless heat transfer. For a flow with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that with the increase of √ the optimum aspect ratio (q,opt), from the thermal point of view, decreases. When a flow is considered with √=1, √=1, =0.4 it is concluded that q,opt decreases with the increase of √, that is, ellipse becomes more elongated in the flow direction. The variation of √ in a flow with √=1, √=1, =0.4 shows that the increase of this parameter causes an increase of the dimensionless transfer rate and Δ̃.

Este trabalho trata da aplicação do método Design Construtal para investigar a transferência de calor através de caminhos de alta condutividade térmica com geometrias definidas. O objetivo é obter a configuração que reduz a temperatura máxima em excesso do sistema considerando que as áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividade são tratadas como constantes. Assim, o objeto de estudo é um volume de área finita onde ocorre a geração de calor. O escoamento da energia térmica para fora do volume é feito através de um caminho condutor de alta condutividade térmica. O trabalho considerou a resistência térmica de contato entre o elemento condutivo e o corpo gerador de calor, onde um terceiro material com resistência térmica equivalente à resistência de contato é interposto entre os dois primeiros. Na solução da equação da difusão do calor, foi realizado um tratamento numérico através de um código baseado em elementos finitos e utilizando o toolbox PDETool, Partial Differential Equations Tool, que pertence ao aplicativo comercial MatLab®. O tratamento numérico foi realizado considerando-se caminhos condutivos com geometrias em forma de "I" e em forma de "T", mantendo-se as frações de área constantes e variando-se os comprimentos dos materiais de alta condutividade e os da resistência térmica de contato. A otimização geométrica foi feita considerando-se os graus de liberdade existentes para cada geometria, onde os valores otimizados para a situação ideal, ou de acoplamento térmico perfeito, foram comparados para os resultados envolvendo a resistência térmica de contato (RTC). Os resultados indicam que a RTC pode aumentar a temperatura máxima em excesso, assim como tem efeito significativo sobre as ótimas configurações calculadas quando a resistência de contato é levada em consideração para ambas as configurações "I" e "T" estudadas. / This work applies Constructal Design to investigate the heat transfer through high conductive pathways with defined geometries. The objective is to find the configuration which reduces the maximal excess of temperature considering the areas with high and low thermal conductivity are constants. Thus, the object studied here is a volume with a finite area and heat generation. The outside heat flux is conducted through a high thermal conductive pathway. Here, special attention is given to the thermal contact resistance between the high conductive pathway and the solid body, where a third material with a thermal resistance equivalent to the thermal contact resistance is inserted between them. A numerical treatment was given in order to solve the heat diffusive equation. It was used a numerical code based on finite elements and the toolbox – PDETool, Partial Differential Equations Tool, which is part of the MatLab® applicative. The numerical treatment was achieved considering "I" and "T" geometries for the high conductive pathways keeping the areas fraction constants and varying the lengths of both high conductive and the equivalent thermal contact layer materials. The optimization was performed considering the degrees of freedom of each geometry, where the optimized values for the ideal situation, i.e., perfect thermal contact were compared with the results considering the thermal contact resistance. The results indicate that the thermal contact resistance can increase the excess of temperature, as well as it has a significant effect on the optimal configurations when using perfect thermal contact or taking into account the thermal contact resistance for "I" and "T" shaped geometries.

O presente trabalho tem como objetivo maximizar a potência hidropneumática convertida num dispositivo do tipo Coluna d'Água Oscilante (CAO). Para fazê-lo, o método Constructal Design é aplicado para aprimorar a geometria e a profundidade de submersão do dispositivo. No desenvolvimento do método Constructal são propostos e analisados três graus de liberdade: H1/L (razão entre a altura e comprimento da câmara do dispositivo CAO), H2/l (razão entre a altura da câmara e o comprimento da chaminé) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). As restrições do problema (parâmetros constantes) são a área da câmara A1 e a área total do dispositivo CAO A2. O domínio computacional consiste de um dispositivo CAO inserido num tanque que é submetido a ondas na escala real. A malha é desenvolvida no software Ansys Icem®. O código de Dinâmica dos Fluidos Computacional Ansys Fluent® é empregado para encontrar a solução numérica a qual é baseada no método dos Volumes Finitos. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é usado na interação das fases água-ar. Os resultados indicam que a potência hidropneumática máxima obtida é de 190 W para razões de H1/L, H2/l e H3 iguais a 0,135, 6,0 e 9,5 m respectivamente. Por outro lado, o menor valor obtido da potência hidropneumática é de quase 11 W, o que mostra a utilidade do método Constructal, para fornecer uma relação entre o clima de ondas de um lugar determinado e as dimensões ótimas do dispositivo CAO. / The present work aims to maximize the hydropneumatic power converted in an Oscillating Water Column (OWC) device. To do this, Constructal Design is applied to optimize its geometry and submergence. For the development of Constructal method, it has been proposed and analyzed three degrees of freedom: H1/ L (ratio between the height and length of OWC chamber), H2/l (ratio between height and length of chimney), and H3 (submergence). The problem constraints (fixed parameters) are total area of the OWC chamber A1 and total area of OWC device A2. The computational domain consists of an OWC inserted in a tank where waves in a real scale are generated. The mesh is developed in ANSYS ICEM®. The Computational Fluid Dynamics code FLUENT® is used to find the numerical solution which is based on Finite Volume Method (FVM). The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The results show that the maximum hydropneumatic power obtained was 190 W for H1/L, H2/l e H3 ratios equal to 0.135, 6.0 and 9.5 m respectively. In contrast, the smaller value obtained for the hydropneumatic power is almost 11 W. So, it shows the utility of Constructal Method which provides a relationship between the wave climate of a particular place and the optimal dimensions for the OWC device.

O presente trabalho tem como objetivo maximizar a potência hidropneumática convertida num dispositivo do tipo Coluna d'Água Oscilante (CAO). Para fazê-lo, o método Constructal Design é aplicado para aprimorar a geometria e a profundidade de submersão do dispositivo. No desenvolvimento do método Constructal são propostos e analisados três graus de liberdade: H1/L (razão entre a altura e comprimento da câmara do dispositivo CAO), H2/l (razão entre a altura da câmara e o comprimento da chaminé) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). As restrições do problema (parâmetros constantes) são a área da câmara A1 e a área total do dispositivo CAO A2. O domínio computacional consiste de um dispositivo CAO inserido num tanque que é submetido a ondas na escala real. A malha é desenvolvida no software Ansys Icem®. O código de Dinâmica dos Fluidos Computacional Ansys Fluent® é empregado para encontrar a solução numérica a qual é baseada no método dos Volumes Finitos. O modelo multifásico Volume of Fluid (VOF) é usado na interação das fases água-ar. Os resultados indicam que a potência hidropneumática máxima obtida é de 190 W para razões de H1/L, H2/l e H3 iguais a 0,135, 6,0 e 9,5 m respectivamente. Por outro lado, o menor valor obtido da potência hidropneumática é de quase 11 W, o que mostra a utilidade do método Constructal, para fornecer uma relação entre o clima de ondas de um lugar determinado e as dimensões ótimas do dispositivo CAO. / The present work aims to maximize the hydropneumatic power converted in an Oscillating Water Column (OWC) device. To do this, Constructal Design is applied to optimize its geometry and submergence. For the development of Constructal method, it has been proposed and analyzed three degrees of freedom: H1/ L (ratio between the height and length of OWC chamber), H2/l (ratio between height and length of chimney), and H3 (submergence). The problem constraints (fixed parameters) are total area of the OWC chamber A1 and total area of OWC device A2. The computational domain consists of an OWC inserted in a tank where waves in a real scale are generated. The mesh is developed in ANSYS ICEM®. The Computational Fluid Dynamics code FLUENT® is used to find the numerical solution which is based on Finite Volume Method (FVM). The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The results show that the maximum hydropneumatic power obtained was 190 W for H1/L, H2/l e H3 ratios equal to 0.135, 6.0 and 9.5 m respectively. In contrast, the smaller value obtained for the hydropneumatic power is almost 11 W. So, it shows the utility of Constructal Method which provides a relationship between the wave climate of a particular place and the optimal dimensions for the OWC device.

Este trabalho trata da aplicação do método Design Construtal para investigar a transferência de calor através de caminhos de alta condutividade térmica com geometrias definidas. O objetivo é obter a configuração que reduz a temperatura máxima em excesso do sistema considerando que as áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividade são tratadas como constantes. Assim, o objeto de estudo é um volume de área finita onde ocorre a geração de calor. O escoamento da energia térmica para fora do volume é feito através de um caminho condutor de alta condutividade térmica. O trabalho considerou a resistência térmica de contato entre o elemento condutivo e o corpo gerador de calor, onde um terceiro material com resistência térmica equivalente à resistência de contato é interposto entre os dois primeiros. Na solução da equação da difusão do calor, foi realizado um tratamento numérico através de um código baseado em elementos finitos e utilizando o toolbox PDETool, Partial Differential Equations Tool, que pertence ao aplicativo comercial MatLab®. O tratamento numérico foi realizado considerando-se caminhos condutivos com geometrias em forma de "I" e em forma de "T", mantendo-se as frações de área constantes e variando-se os comprimentos dos materiais de alta condutividade e os da resistência térmica de contato. A otimização geométrica foi feita considerando-se os graus de liberdade existentes para cada geometria, onde os valores otimizados para a situação ideal, ou de acoplamento térmico perfeito, foram comparados para os resultados envolvendo a resistência térmica de contato (RTC). Os resultados indicam que a RTC pode aumentar a temperatura máxima em excesso, assim como tem efeito significativo sobre as ótimas configurações calculadas quando a resistência de contato é levada em consideração para ambas as configurações "I" e "T" estudadas. / This work applies Constructal Design to investigate the heat transfer through high conductive pathways with defined geometries. The objective is to find the configuration which reduces the maximal excess of temperature considering the areas with high and low thermal conductivity are constants. Thus, the object studied here is a volume with a finite area and heat generation. The outside heat flux is conducted through a high thermal conductive pathway. Here, special attention is given to the thermal contact resistance between the high conductive pathway and the solid body, where a third material with a thermal resistance equivalent to the thermal contact resistance is inserted between them. A numerical treatment was given in order to solve the heat diffusive equation. It was used a numerical code based on finite elements and the toolbox – PDETool, Partial Differential Equations Tool, which is part of the MatLab® applicative. The numerical treatment was achieved considering "I" and "T" geometries for the high conductive pathways keeping the areas fraction constants and varying the lengths of both high conductive and the equivalent thermal contact layer materials. The optimization was performed considering the degrees of freedom of each geometry, where the optimized values for the ideal situation, i.e., perfect thermal contact were compared with the results considering the thermal contact resistance. The results indicate that the thermal contact resistance can increase the excess of temperature, as well as it has a significant effect on the optimal configurations when using perfect thermal contact or taking into account the thermal contact resistance for "I" and "T" shaped geometries.

O presente trabalho apresenta um estudo numérico bidimensional sobre a otimização da geometria de um dispositivo conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica. O objetivo principal é, através da modelagem computacional de um dispositivo cujo principio de funcionamento é o de Coluna de Água Oscilante (CAO) e do emprego de Constructal Design, maximizar a conversão da energia das ondas do mar em energia elétrica. Essa técnica é baseada na Teoria Constructal. O aspecto inédito deste trabalho, em relação aos estudos disponíveis na literatura, é o fato de levar em conta o clima de ondas de uma dada região e, a partir disso, dimensionar o dispositivo de modo que ele tenha um desempenho otimizado. Para tanto, foi empregado o método Constructal Design, os graus de liberdade empregados são: H1/L (razão entre a altura e o comprimento da câmara CAO) e H3 (profundidade de submersão do dispositivo CAO). A relação H2/l (razão entre altura e comprimento da chaminé de saída da câmara CAO) é considerada um parâmetro fixo. Foram realizados estudos levando em conta uma onda em escala de laboratório e um espectro de ondas real. Foi também realizado um estudo sobre a influência da perda de carga da turbina através de uma restrição física. Para a solução numérica foi empregado um código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT®, baseado no Método de Volumes Finitos (MVF). A geometria e a geração a malha foi realizada no software GAMBIT®. 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 é possível estabelecer uma razão de H1/L ótimo, conhecendo-se o clima de ondas, ou seja, o recomendável é que esta razão seja igual a quatro vezes a altura da onda dividido pelo comprimento da onda incidente. / The present work presents a two-dimensional numerical study about the geometric optimization of an ocean Wave Energy Converter (WEC) into electrical energy. The main goal is, through computational modeling of a device whose operating principle is the Oscillating Water Column (OWC) and from employment Constructal Design, to maximize the conversion of energy of ocean waves into electricity. This technique is based on Constructal Theory. The inedited aspect of this work comparing to the available studies is that it takes into account the wave climate of a given region to design the device so that it achieves optimum performance. Constructal Design is employed varying the degrees of freedom H1/L (ratio between the height and length of OWC chamber) and H3 (lip submergence). While the relation H2/l (ratio between height and length of chimney) is kept fixed. Studies were performed considering a wave on a laboratory scale and a spectrum of real waves. Yet a study of the influence of the turbine pressure losses was performed using a physical constraint. For the numerical solution it is used the Computational Fluid Dynamic (CFD) commercial code FLUENT®, based on the Finite Volume Method (FVM). The geometry and mesh generation was performed in GAMBIT ® software. The multiphasic Volume of Fluid (VOF) model is applied to tackle with the water-air interaction. The computational domain is represented by an OWC device coupled with the wave tank. The results show that it is possible to establish a relationship of H1 / L optimum, if the wave climate is know. It is recommended that this ratio be equal to four times the height of the wave divided by the length of the incident wave.