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Title: Contribuição ao projeto de sistemas de propulsão de fluidos.
Other Titles: Contribution to the design of fluid propulsion systems.
???metadata.dc.creator???: BARRETO NETO, Arlindo Garcia de Sá.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: LIMA, Antonio Marcus Nogueira.
NEFF, Franz Helmut.
???metadata.dc.contributor.referee1???: ROCHA NETO, José Sergio da.
???metadata.dc.contributor.referee2???: MORIMOTO, Nilton Itiro.
???metadata.dc.contributor.referee3???: TEJO, Francisco de Assis Ferreira.
???metadata.dc.contributor.referee4???: SOUZA, Márcio Nogueira de.
Keywords: Microbomba;Métodos dos Elementos Finitos;Biosensor;Propulsor de Fluido;Projeto Mecânico;Projeto Fluidodinâmico;Micropump;Finite Element Methods;Fluid Propellant;Mechanic Project;Fluid Dynamics Project
Issue Date: 22-Mar-2013
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: BARRETO NETO, Arlindo Garcia de Sá. Contribuição ao projeto de sistemas de propulsão de fluidos. 2013. 232 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica),- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2013.
???metadata.dc.description.resumo???: Este trabalho trata do projeto, desenvolvimento e implementação de dispositivos de propulsão de fluidos para equipamentos, que operem com taxa de fluxo na faixa de 30 l=min - 70 l=min, e na faixa de, 700 l=min até 50 ml=min. Foram investigados três tipos de propulsor de fluido: uma bomba peristáltica linear, bidirecional, sem válvula e acionada por três atuadores, uma bomba de diafragma unidirecional usando a estrutura bocal/difusor e uma bomba de vácuo, com válvula, acionada por um único atuador. Para o desenvolvimento de um sistema de propulsão de fluxo, foi concebida uma metodologia de projeto usando uma ferramenta computacional baseada em elementos finitos, para determinar características mecânicas e fluídicas associadas ao sistema de transporte de fluidos proposto, isto é, projeto mecânico e projeto fluidodinâmico. O projeto mecânico trata, basicamente, da produção da força necessária para deslocar o fluido, possibilitando uma investigação de produção de força por meio do campo elétrico ou de campo magnético, isto é, definição do atuador. Além disso, o projeto mecânico avalia o espaçamento e a quantidade de atuadores para proporcionar fluxo bidirecional sem utilização de válvula de controle de fluxo. O projeto fluidodinâmico tem como objetivo definir a melhor sequência de acionamento dos atuadores, tendo em vista o desempenho da bomba em termos de vazão. Assim, foi desenvolvido um modelo computacional baseado numa formulação com interação fluido-estrutura para o desenvolvimento da bomba peristáltica linear. Para o projeto da bomba de vácuo, foi desenvolvido um modelo computacional com a abordagem de fluxo multifásico (ar/água), avaliando-se o comportamento do fluxo de saída com relação à presença de oscilações, bem como da vazão em função da entrada de ar. Por fim, foram construídos protótipos das bombas com base nas decisões de projeto, tomadas a partir de resultados obtidos da modelagem computacional. Para cada tipo de bomba foi desenvolvida uma plataforma de testes apropriada, sendo realizados ensaios de vazão e pressão. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram erro médio inferior a 5% em relação aos dados experimentais, validando a metodologia e a modelagem desenvolvida.
Abstract: This paper deals with conception, design, development and implementation of propulsion components for micro-fluidic systems that operate within the flow rate range from 30 l=min to 70 ml/min. Three principles of flow propulsion have been investigated: a valve free linear and bidirectional peristaltic pump, driven by three actuators; a unidirectional diaphragm pump that comprises the nozzle/diffuser structure; and the vacuum pump, driven by a single actuator. In order to develop an optimized flow propulsion system, a new design methodology has been implemented. It relies on a finite-element based simulation approach to assess crucial mechanical and flow design features, associated with the fluid transport system. The mechanical design study basically considers the generation of forces, required to squeeze or deform tubings and membranes by means of electric or magnetic fields, i.e., the definition of an appropriate actuator design. Furthermore, the mechanical design study explores and defines the appropriate geometric spacing as well as the optimum number of actuators to provide bidirectional flow, without the use of flow valve control. The fluid-dynamic design aims to define the optimal sequence of drive actuators in order to provide a better pump performance of the outlet flow. Also a computational model based on fluid-structure interaction has been used in this design. On the other hand, a computational model has been also developed for the vacuum pump design, by using a multiphase (air/water) flow approach. It aims to evaluate the outlet flow behavior with the presence of oscillations and as a function of the air input. For the conception of the diaphragm pump, the design methodology previously used for the peristaltic pump has been adopted with a few modifications to fit the pump type. Eventually, hardware circuits were designed in accordance of the simulation results. These results have shown good agreement with experimental data, which validates the developed methodology and modeling.
Keywords: Microbomba
Métodos dos Elementos Finitos
Biosensor
Propulsor de Fluido
Projeto Mecânico
Projeto Fluidodinâmico
Micropump
Finite Element Methods
Fluid Propellant
Mechanic Project
Fluid Dynamics Project
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/8614
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