quarta-feira, 13 de agosto de 2014

FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL - ICEM CFD, FLUENT E CFX


Fluidodinâmica computacional ou dinâmica dos fluidos computacional (em inglês: Computational Fluid Dynamics — CFD), pode ser descrita de forma generalizada como a simulação numérica de todos aqueles processos físicos e/ou físico-químicos que apresentam escoamento.

A predição dos campos de concentração, velocidades, pressão, temperaturas e propriedades turbulentas, é efetuada através de modelos microscópicos baseados nos princípios de conservação de massa, da energia e da quantidade de movimento, no domínio do espaço e do tempo.

A seguir algumas aplicações representativas de CFD:


  • Simulação computacional de difusão e convecção de substâncias em bacias hidrográficas e aqüíferos;
  • Planejamento e gestão de recursos hídricos;
  • Aerodinâmica e aerotermodinâmica de veículos aeroespaciais;
  • Aerodinâmica de veículos terrestres (trens, caminhões, carros, etc);
  • Refrigeração de reatores nucleares;
  • Indústria de petróleo;
  • Caracterização de poluição ambiental, análise e simulação de lançamento de poluentes e contaminantes em correntes hídricas;
  • Hidrodinâmica e hemodinâmica computacionais;
  • Previsão de tempo;
  • Projeto de sistemas propulsivos e de geração de energia em geral.

A Teoria do Contínuo fundamenta a conceituação teórica que justifica a maior parte das análise em CFD. O fluido, um meio contínuo, é discretizado com base no modelo das partículas fluidas. Esta abstração conceitua um elemento representativo de volume, ou representative element of volume, REV. Neste elemento de volume, de micro ou nano dimensões, uma propriedade ou quantidade física mantem um valor médio, sob as mesmas condições, passível de reprodução em laboratório, sob as mesmas solicitações externas ao fluido. Assim uma partícula representativa de um volume de fluido, o REV, é o menor volume em que as propriedades do fluido se mantém. As moléculas de um contínuo vibram constantemente, cessando esta vibração somente no estado de repouso termodinâmico, o zero absoluto. Fisicamente em um REV o caminho médio percorrido pelas moléculas do fluido entre duas sucessivas é no mínimo da ordem de grandeza das próprias moléculas deste fluido.

Existem diferentes pacotes computacionais para CFD, uns são para construção de geometria, como o ICEM CFD, outros já são pacotes mais completos tais como o FLUENT®, o CFX®.

O ICEM CFD é um pacote que tem como objetivo a construção de diferentes geometrias e malhas numéricas para a simulação.

Figura 2: Tela do ICEM CFD

O usuário pode fazer diferentes geometrias utilizando esta ferramenta.


Figura 3: Corpo de um misturador estático com malha gerado no ICEM

Figura 4: Malha Numérica de um Corpo para Visualização do Escoamento Externo

O CFX® que é um software de CFD integrado, no qual é possível construir a geometria, fazer a malha numérica, ajustar os parâmetros da simulação, resolver e analisar posteriormente, sendo utilizado para a simulação de diversos tipos de escoamentos.

Como é um software comercial, ele é uma "caixa-preta", contudo ele apresenta uma boa interface software-usuário, sendo que o usuário tem a possibilidade de incluir sub-rotinas computacionais escritas em linguagem FORTRAN, e além disto, apresenta a flexibilidade da inclusão de equações para o cálculo de certas variáveis.

Características do software:


O pacote computacional CFX é composto basicamente de quatro programas, que são:

  • O CFX-Build, para a construção das geometrias e da malha numérica;
  • O CFX-Pre, para o ajuste dos parâmetros de simulação.




Figura 5: Tela do CFX-Pre
  • O CFX-Solver, para a obtenção dos resultados, que podem ser obtidos utilizando um ou vários processadores, isto é, pode ser utilizado em cluster.

Figura 6: Tela do CFX-Solver

  • E o CFX-Post, que é o programa para a análise dos resultados, que processa e apresenta os dados graficamente, podendo o usuário, criar diferentes tipos de imagens gráficas, para melhor análise dos resultados.

Figura 7: Tela do CFX-Post

Aplicações:
O CFX e outros softwares comerciais são utilizados nas mais variadas aplicações, dentre elas:

  • Indústria petroquímica: na simulação de diversos equipamentos e processos, como por exemplo, o caso da PETROBRAS que utiliza este software para simular diferentes equipamentos e processos, tais como Risers, Ciclones e outros.

Figura 8: Típico Riser de FCC com 60" de diâmetro


Figura 9: Sistema de Ciclones de Dois Estágios

  • Indústria Aeroespacial: na simulação e desenvolvimento de aeronaves, o qual o escoamento é externo, turbinas, onde o escoamento é interno com reação química, que como exemplo se tem a EMBRAER;


Figura 10: Malha Numérica em Diversos Aeroplanos.


Figura 11: Malha Numérica de um Avião Jumbo



Figura 12: Simulação de um Avião Harrier


Figura 13: Simulação de um Avião de Caça F-18


Figura 14: Simulação do Ônibus Espacial

  • Indústria automotiva: na simulação e desenvolvimento de automóveis mais aerodinâmicos (escoamento externo), motores (escoamento interno com reação);


Figura 15: Simulação de um Carro de Fórmula 1.

  • Escoamentos naturais, como a simulação atmosférica para previsão do tempo e simulação de rios, lagos, para estudos ambientais.



Um comentário:

  1. Muito bom!
    parabéns pela postagem. Continue postando sobre esse e outros temas.

    Abraço

    ResponderExcluir