Simulação de aquecimento viscoso em um amortecedor hidráulico para projeto de amortecedores solares

Os amortecedores de fluido têm uma variedade de usos, o amortecedor solar, desde a estabilização de arranha-céus até o controle do fluxo de fluido em dispositivos de microfluxo. Através módulo de giro de um processo chamado aquecimento viscoso, esses amortecedores solares são capazes de dissipar energia mecânica em calor. Muito calor pode causar danos ao amortecedor solar, por isso é importante entender o processo de aquecimento viscoso ao otimizar seus projetos de amortecedores hidráulicos solares.

O que é um amortecedor hidráulico?

Amortecedores hidráulicos solares (também conhecidos como amortecedores solares viscosos) têm muitas aplicações industriais. Eles são encontrados em dispositivos militares para isolamento de choque, bem como em arranha-céus e estruturas civis para proteção contra vibrações e danos causados por terremotos e ventos fortes. Até módulo de giro mesmo certos dispositivos de microfluxo dependem de amortecedores hidráulicos solares para ajudar a gerar calor significativo e controlar o fluxo de fluido.

Amortecedores hidráulicos (os objetos azuis escuros) são usados para estabilizar o movimento de um dispositivo de rastreamento solar.

Aquecimento viscoso - atingindo o equilíbrio certo

Fluidos com alta viscosidade, como óleo ou um fluido à base de silício, são comumente usados no amortecedor solar, porque quanto maior a viscosidade do fluido, maior a força que o amortecedor solar pode dissipar. O aquecimento viscoso ocorre em um amortecedor hidráulico quando um amortecedor solar empurra o fluido viscoso para frente e para trás entre duas câmaras. Essa ação transforma a energia mecânica, na forma de vibrações ou oscilações, em calor.

Para otimizar a eficiência do amortecedor hidráulico solar, é importante analisar o aquecimento viscoso no dispositivo. Se muito calor for gerado no amortecedor solar, ele pode danificar o amortecedor hidráulico solar, bem como o dispositivo ou estrutura que ele está trabalhando para proteger. Para estudar o desempenho de um amortecedor módulo de giro hidráulico solar, recorremos ao Heat Transfer Module e ao CFD Module, ambos complementos à plataforma de simulação COMSOL Multiphysics.

Simulação de Aquecimento Viscoso com Multifísica COMSOL

Os principais componentes de um amortecedor hidráulico incluem o alojamento do cilindro do amortecedor solar, uma haste e a cabeça do pistão, fluido viscoso na câmara e um pequeno espaço circular entre a cabeça do pistão e a parede interna do alojamento do cilindro. Este espaço age como um canal para o fluido. Em nossa simulação, essas peças sólidas são feitas de um material de aço que pode ser encontrado na Biblioteca de Materiais integrada no COMSOL Multiphysics.

Esquema de um amortecedor de fluido.

Para esta simulação, a cabeça do pistão se move para frente e para trás dentro do cilindro, o que força o fluido, o óleo de silicone, através do pequeno orifício com uma grande taxa de cisalhamento. Essa ação gera calor que é transferido nas direções axial e radial. Na direção radial, o calor é conduzido através da parede do cilindro e convectado para o ar externo.

Nós resolvemos as equações de Navier-Stokes para descrever o fluxo de fluido dentro do amortecedor. O campo de temperatura resultante do processo de aquecimento viscoso é dado pela equação de energia. Essas equações podem ser encontradas na interface de fluxo não isotérmico e na interface de transferência de calor conjugado no COMSOL Multiphysics.

Os resultados da simulação mostram a temperatura no amortecedor hidráulico solar:

 

Temperatura da sonda em função do tempo (up) e da temperatura interna da parede (down) após 10 s (curva azul) e 40 s (curva verde) de carga.

These results agree well with experimental data. With simulation software, we can effectively analyze viscous heating in a fluid damper for the design of safer and more efficient structures and devices in a variety of industries.