Modelagem numérica de transdutores de Langevin para aplicações industriais

Modelagem numérica de transdutores de Langevin para aplicações industriais

Autor(a)
Costa, Mateus Silva.
<mateus.costa@arapiraca.ufal.br>
Ano de publicação
2022
Data da defesa
20/06/2022
Curso/Outros
Física
Número de folhas
93
Tipo
TCC - Trabalho de Conclusão de Curso
Local
UFAL, Campus Arapiraca, Unidade Educacional ARAPIRACA
Resumo

Transdutores de Langevin são dispositivos com capacidade de transformar energia elétrica em energia mecânica, mais especificamente, pulsos elétricos em ondas sonoras, transmitindo ondas de ultrassom para o meio em contato. Devido a sua eficácia, baixo consumo de energia e funcionamento sem poluição do meio ambiente, diversas aplicações têm empregado o uso de transdutores de Langevin em indústrias nos últimos anos. Dentre as aplicações envolvendo essa técnica, podemos citar o uso dos transdutores em estampagem e soldagem de tecidos, equipamentos hospitalares, processos de cortes e perfuração, separação de emulsões água em óleo no processamento primário de petróleo e na limpeza ultrassônica de materiais sólidos. Desse modo, foi realizado um estudo teórico e a modelagem computacional de transdutores de Langevin sendo apropriados para gerar cavitação acústica. O processo de cavitação acústica corresponde na formação, crescimento e futuramente implosão de microbolhas de vapor em um meio líquido submetido a uma onda sonora de ultrassom de alta intensidade. Quando ocorre a formação de cavidades (microbolhas), alguns efeitos (físicos, químicos e biológicos) podem ser gerados, tais como ondas de choque e microjatos. Assim, esse processo se torna eficaz em várias aplicações, como sonoquímica, limpeza de materiais, sonoluminescência, entre outros. O design dos transdutores foi realizado por meio de simulações numéricas utilizando o Método de Elementos Finitos (MEF) através do software comercial COMSOL Multiphysics®. Em particular, foram realizadas simulações para o desenvolvimento de um transdutor de Langevin operando com frequência de ressonância em 20 kHz, acoplado a 5 amplificadores mecânicos com diferentes geometrias, e imerso em um tanque composto por água. Os efeitos de amortecimento mecânico causados a partir dos fatores de perda dos materiais utilizados no transdutor foram inclusos nas simulações. A caracterização dos transdutores modelados foi realizada através da curva de impedância elétrica, do deslocamento mecânico e a distribuição de pressão acústica gerada pelo dispositivo. A realização do estudo proposto é de grande importância para a linha de produção dos transdutores e suas futuras aplicações em diversas áreas, como na indústria de petróleo e gás e no desenvolvimento de equipamentos hospitalares.

Abstract

Langevin transducers are devices capable of transforming electrical energy into mechanical energy, more specifically, electrical pulses into sound waves, transmitting ultrasound waves to the medium in contact. Due to its efficiency, low energy consumption and operation without pollution of the environment, several applications have employed the use of Langevin transducers in industries in recent years. Among the applications involving this technique, we can mention the use of transducers in stamping and welding of fabrics, hospital equipment, cutting and drilling processes, separation of water-in-oil emulsions in the primary processing of petroleum and in the ultrasonic cleaning of solid materials. Thus, a theoretical study and computational modeling of Langevin transducers were carried out, being appropriate to generate acoustic cavitation. The acoustic cavitation process corresponds to the formation, growth and future implosion of vapor microbubbles in a liquid medium subjected to a high-intensity ultrasound sound wave. When cavities (microbubbles) form, some effects (physical, chemical and biological) can be generated, such as shock waves and microjets. Thus, this process becomes effective in several applications, such as sonochemistry, cleaning of materials, sonoluminescence, among others. The design of the transducers was carried out through numerical simulations using the Finite Element Method (FEM) through the commercial software COMSOL Multiphysics®. In particular, simulations were carried out for the development of a Langevin transducer operating with a resonance frequency of 20 kHz, coupled to 5 mechanical amplifiers with different geometries, and immersed in a tank composed of water. The mechanical damping effects caused by the loss factors of the materials used in the transducer were included in the simulations. The characterization of the modeled transducers was performed through the electrical impedance curve, the mechanical displacement and the acoustic pressure distribution generated by the device. The realization of the proposed study is of great importance for the production line of transducers and their future applications in several areas, such as in the oil and gas industry and in the development of hospital equipment.

Orientador(a)
Dr. Andrade, José Henrique Araújo Lopes de.
Banca Examinadora
Dr. Leão Neto, José Pereira.
Dr. Albuquerque, Samuel Silva de.
Palavras-chave
COMSOL Multiphysics® (Software).
Cavitação acústica.
Langevin, Transdutores de.
Modelagem numérica.
Áreas do Conhecimento/Localização
Coleção Propriedade Intelectual (CPI) - BSCA.
Categorias CNPQ
1.00.00.00-3 Ciências exatas e da terra.
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