Fluidodinâmica Computacional: o que é?
A Fluidodinâmica Computacional ou CFD (Computational Fluid Dynamics), é a área do conhecimento que trata da simulação numérica de escoamentos de fluidos, transferência de calor e fenômenos relacionados, como reações químicas, combustão, aeroacústica etc. O CFD teve origem a partir da combinação de duas disciplinas: mecânica dos fluidos e cálculo numérico. As equações que regem o escoamento de fluidos têm origem na mecânica dos fluidos e podem ser resolvidas por meio de diferentes métodos numéricos.
A principal equação resolvida via Fluidodinâmica Computacional é a equação de transporte da variável de interesse, representada pelo símbolo Φ. A equação é apresentada abaixo:
Todas as equações de conservação resolvidas em CFD possuem a forma acima, com quatro termos: o termo de tempo, o termo advectivo, o termo difusivo e o termo fonte. Para representar diferentes equações de conservação alteram-se apenas três componentes da equação: a variável Φ, o coeficiente de difusão Γ, e a fonte S.
Por exemplo, para a equação de conservação de massa (ou continuidade), a variável Φ é igual a 1, o coeficiente de difusão e a fonte são nulos. Apesar da fórmula ser amplamente utilizada para aplicações em Fluidodinâmica Computacional, pode-se afirmar que até o momento não existe solução analítica da equação acima. Dessa forma, é necessário reescrevê-la em forma algébrica e resolvê-la por meio de algum método de discretização.
Os métodos de discretização mais difundidos são o método das diferenças finitas, o método dos elementos finitos e o método dos volumes finitos, sendo este último o mais utilizado em CFD. Com esses métodos, troca-se o domínio contínuo por um domínio discreto, onde um conjunto de volumes de controle é utilizado para representar o domínio original, como pode ser observado na figura abaixo.
O domínio é discretizado em pequenos volumes e a equação algébrica é resolvida para cada um desses elementos
A forma algébrica da equação apresentada anteriormente é resolvida em cada um dos volumes de controle, gerando um sistema de equações que deve ser resolvido numericamente. Essas equações são resolvidas com o apoio de softwares de Fluidodinâmica Computacional, os quais possuem capacidade para solucionar rapidamente e com precisão os mais diversos problemas de CFD. Ao final do texto abordamos os principais solvers de Dinâmica dos Fluidos Computacional presentes no mercado na atualidade.
Como garantir que a malha é capaz de identificar corretamente a física do modelo?
O número de volumes de controle a ser usado para a análise deve ser estabelecido por meio do estudo de convergência de malha, ou seja, analisa-se o mesmo caso com malhas de refinamentos diferentes e comparam-se os resultados. Quando o resultado entre dois refinamentos de malha não sofre alteração (ou muda muito pouco), diz-se que a convergência de malha foi atingida.
Com a malha gerada, passa-se à configuração da física do modelo, das condições de contorno e do solver. Depois disso, resolve-se o sistema de equações através de um processo iterativo, até a convergência, ou seja, quando a variação dos resultados entre duas iterações consecutivas ficar abaixo de um critério estabelecido pelo usuário.
A etapa final é a de pós-processamento, quando os resultados são avaliados por meio de ferramentas como vetores, linhas de corrente, distribuições de cores, planos de corte, isosuperfícies etc.
Quer saber mais sobre Dinâmica dos Fluidos Computacional? Assista ao vídeo abaixo e aprenda conceitos básicos e os principais aspectos teóricos:
Aplicações de CFD na Engenharia
A Fluidodinâmica Computacional é amplamente utilizada nos diferentes segmentos do mercado e apoia projetos e fabricação de centenas de produtos, de aviões à automóveis e navios, bem como os mais diversos tipos de equipamentos industriais. A Dinâmica dos Fluidos Computacional pode ser utilizada desde a fase conceitual de um projeto, auxiliando a determinar a viabilidade e qual a melhor solução em produto, até a etapa de produção, permitindo representar diversos cenários. Com o auxílio das ferramentas de CFD é possível:
- Simular difusão e convecção de substâncias fluidas nos mais diferentes ambientes
- Realizar o planejamento e gestão de recursos hídricos
- Analisar a aerodinâmica e aerotermodinâmica de veículos
- Avaliar a refrigeração de equipamentos, como reatores nucleares, motores, etc.
- Fazer estudos de caracterização de poluição ambiental, dispersão de gases, análise e simulação de lançamento de poluentes e contaminantes em correntes hídricas
- Simular hidrodinâmica e hemodinâmica
- Testar e desenvolver projetos de sistemas propulsivos e de geração de energia em geral
- Softwares de Dinâmica dos Fluidos Computacional
Na atualidade existem diferentes ferramentas que auxiliam os profissionais de engenharia a realizar análises de Fluidodinâmica Computacional. Alguns são pacotes multifísicos, como é o caso do Ansys AIM, que combina a simulação de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e fluido-mecânicas em uma única interface e permite desenvolver um projeto completo, do desenho à simulação e análise dos resultados.
Porém, também existem ferramentas com foco exclusivo nas soluções de CFD, como os softwares Ansys Fluent e Ansys CFX. Essas duas ferramentas permitem realizar diferentes análises CFD, como turbulência, transferência de calor, reações químicas, aeroacústica, turbomáquinas, modelar o fluxo de fluidos etc.
