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Título: Desenvolvimento de metodologia para geração de malha estruturada em tubo de vórtice
Título(s) alternativo(s): Development of a methodology for structured mesh generation in a vortex tube
Autor(es): Santos, Darlan Oliveira
Orientador(es): Lourenço, Marcos Antonio de Souza
Palavras-chave: Fluidodinâmica computacional
Geração de malhas numéricas (Análise numérica)
Simulação (Computadores digitais)
Computational fluid dynamics
Numerical grid generation (Numerical analysis)
Digital computer simulation
Data do documento: 9-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: SANTOS, Darlan Oliveira. Desenvolvimento de metodologia para geração de malha estruturada em tubo de vórtice. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025.
Resumo: O presente trabalho teve como objetivo desenvolver e validar uma metodologia robusta para a geração de malha computacional estruturada aplicada à simulação do Tubo de Vórtice de Ranque-Hilsch (RHVT). A predição numérica da separação dos fluxos quente e frio neste dispositivo é historicamente dificultada pela sensibilidade dos modelos à qualidade da discretização espacial. Para superar as limitações das malhas não-estruturadas, desenvolveu-se um modelo tridimensional utilizando Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) no OpenFOAM. A inovação central residiu na implementação de uma geração de malha paramétrica ("topologia-primeiro") via biblioteca classy blocks em Python. Esta estratégia permitiu a construção de uma malha puramente hexaédrica, com controle preciso do refinamento anisotrópico e garantia de conectividade topológica. A simulação do escoamento turbulento foi realizada através da abordagem Large Eddy Simulation (LES) com o solver PimpleFoam. Os resultados demonstraram a eficácia da metodologia, apresentando métricas de qualidade excepcionais, com não-ortogonalidade máxima inferior a 30°, e eliminando instabilidades numéricas críticas. A validação funcional confirmou a capacidade do modelo em reproduzir estavelmente a separação energética, gerando gradientes de temperatura consistentes. Em síntese, este estudo entrega uma ferramenta computacional confiável e parametrizada, estabelecendo uma base sólida para futuras otimizações do RHVT.
Abstract: The primary objective of this thesis was to develop and validate a robust methodology for generating structured computational meshes applied to the simulation of a Ranque-Hilsch Vortex Tube (RHVT). Accurate numerical prediction of the hot and cold flow separation in this device is historically hindered by model sensitivity to spatial discretization quality. To overcome the limitations of unstructured meshes, a three-dimensional model was developed using Computational Fluid Dynamics (CFD) in OpenFOAM. The central innovation lay in the implementation of a parametric mesh generation approach ("topology-first") using the classy_blocks Python library. This strategy allowed for the construction of a purely hexahedral mesh with precise anisotropic refinement control and guaranteed topological connectivity. Turbulent flow simulation was performed using the Large Eddy Simulation (LES) approach with the rhoPimpleFoam solver. Results demonstrated the effectiveness of the proposed methodology, yielding exceptional quality metrics with maximum non-orthogonality lower than 30° and eliminating critical numerical instabilities. Functional validation confirmed the model's ability to stably reproduce energy separation, generating consistent temperature gradients. In summary, this study provides a reliable and parameterized computational tool, establishing a solid foundation for future RHVT optimization.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39841
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