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Anais de eventos

CONEM 2022

XI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica - CONEM 2022

ON THE TOPOLOGY OPTIMIZATION OF 2D-SWIRL FLOW STATOR AND ROTOR PROBLEMS WITH BINARY DESIGN VARIABLES

Submission Author: Anderson Soares da Costa Azevêdo , SP , Brazil
Co-Authors: Anderson Soares da Costa Azevêdo, Eduardo Moscatelli, shahin ranjbarzadeh, Emilio Carlos Nelli Silva, Renato Picelli
Presenter: Anderson Soares da Costa Azevêdo

doi://10.26678/ABCM.CONEM2022.CON22-0515

 

Abstract

One considerable challenge for the topology optimization of fluids is the solution of 3D (three-dimensional) problems. Since solving a 3D fluid flow topology optimization problem is costly, the development of 2D swirl flow frameworks is of high interest. Regarding engineering applications, topology optimization considering the swirl flow can be applied to obtain innovative designs in rotating machinery devices like labyrinth seals. The seal mechanism consists of two parts, a stator and a rotor separated by a gap, which provides a tortuous path to minimize the fluid leakage. In this work, we employ the TOBS-GT (Topology Optimization of Binary Structures with Geometry Trimming) method to solve a 2D axisymmetric seal problem considering two distinct rotational velocities on solid material. We maximize the fluid flow energy dissipation subjected to a minimum gap between stator and rotor material phases of the seal model. The 2D swirl flow is governed by the Navier-Stokes equations in the inertial reference frame. The governing equations are solved via the Finite Element Method considering axisymmetry and the optimization problem is solved by using sequential integer linear programming. In order to avoid jagged geometries, which affects the accuracy of turbulence modelling, we adopt an additional step to create a smooth wall representation. The numerical example shall elucidate how the rotational speed and minimum gap influences on swirl flow path evolution and on final stator and rotor design for low Reynolds regime. Finally, the TOBS-GT shows to be an improved method to create of new topologies for rotating machinery devices.

Keywords

Topology optimization, laminar flow, Turbomachinery, TOBS method, Integer Linear Programming

 

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