O que é CFD e como um código de CFD funciona?

O que é?

Do inglês Computational Fluid Dynamics, CFD é a análise de sistemas envolvendo escoamento de fluidos, transferência de calor e fenômenos associados tais como reações químicas por meio de simulações em computador. A técnica é bem poderosa e abrange uma vasta gama de áreas de aplicações industriais e não industriais. Algumas delas:

Aerodinâmica de aeronaves e veículos: sustentação e arrasto

Hidrodinâmica em navios

Usinas termoelétricas: Combustão em motores de combustão interna e turbunas a gás

Turbomáquinas: escoamento dentro de passagens rotativas

Engenharia elétrica e eletrônica: resfriamento de equipamentos incluindo microcircuitos

Engenharia de processos químicos: mistura e separação, moldegem de polímeros

Ambientes internos e externos de edifícios: carregamentos de vento e HVAC

Engenharia marinha: carregamentos em estruturas em alto-mar

Engenharia ambiental: distribuição de poluentes e efluentes

Hidrologia e oceanografia: fluxos em rios, estuários, oceanos

Meteorologia: previsão do tempo

Engenharia biomédica: fluxo de sangue através de artérias e veias

A partir da década de 1960, a indústria aeronáutica começou a integrar técnicas CFD dentro do design, pesquisa, desenvolvimento, pesquisa e manufatura de aeronaves e motores a jato. Ultimamente, os métodos tem sido aplicados no design de motores de combustão interna, câmaras de combustão de turbinas a gás e fornos. Além disso, fabricantes de motores de veículos, corriqueiramente, calculam forças de arrasto, escoamentos de ar sob o capô e o ambiente do carro com CFD. Cada vez mais, CFD está se tornando um componente vital e no design de produtos industriais e processos visto que ele é capaz de proporcionar um alto nível de inovação.

Inclusive, existem inúmeras vantagens do CFD em detrimento de abordagens experimentais no design de sistemas de fluidos:

• Redução substancial no tempo de execução e custo de novos designs

• Abilidade de estudar sistemas onde experimentos controlados são inviáveis ou impossíveis de se realizar (ex.: Sistemas muito grandes)

• Abilidade de estudar sistemas sob condições arriscadas em limites normais de performance e além.

• praticamente níveis ilimitados de detalhes de resultados

Como funciona um código CFD?

Códigos CFD são estruturados em torno de algorítmos numéricos que lidam com problemas de escoamento de fluidos. A fim de oferecer facilidade operacional ao seus poderosos solvers, todos os pacotes comerciais de CFD incluem sofisticadas interfaces de usuários para entrada de dados e para examinar resultados. Destarte, todos os códigos contém no mínimo três elementos principais: (1) pré-processador, (2) solver e (3) pós processador.

Pré-Processador: consiste na entrada de dados do problema de escoamento em um programa CFD por meio de uma interface intuitiva para o usuário e, subsequentemente, uma transformação adequada desses dados de entrada em uma forma útil para o uso do solver. As atividades do usuário dentro do solver são:

• Definição de geometria da região de interesse (o domínio computacional)

• Geração de malha, a qual consiste na subdivisão do domínio em um número de menores subdomínios, os quais não estarão sobrepostos (malha de elementos, mais conhecidos como volumes de controle)

• Seleção do fenômeno físico e químico que precisa ser modelado

• Definição das propriedades do fluido

• Especificação de condições de contorno adequadas em elementos que coincidem com ou tocam a condição de contorno

Solver: Existem 3 vertentes distintas de técnicas de solução numérica - (1) Diferenças Finitas, (2) Elementos Finitos, (3) Métodos Espectrais. Geralmente, dentro desses métodos, quando trata-se de problemas de escoamentos de fluidos, opta-se pelo Método dos Volumes Finitos, que se enquadra como uma formulação especial dentro do Método das Diferença Finitas. Em resumo, o algorítimo numérico consiste nos seguintes passos:

• Integração das equações governantes de escoamento de fluidos sobre todo o volume de controle do domínio

• Discretização - ou seja, a conversão de todas as equações integrais resultates em um sistema de equações algébricas

• Solução de equações algébricas por um método iterativo

De acordo com o primeiro passo, o método dos Volumes Finitos é mais preferido, justamente, por se distinguir de todos as outras técnicas CFD, isto é, realiza-se a integração do volume de controle. Decorre daí, que as afirmações resultantes expressam a exata conservação de propriedades relevantes para cada elemento. Essa relação clara entre algorítmos numéricos e o princípio de conservação física subjacente gera uma das principais atrações do método dos volumes finitos e torna seu conceito bem mais simples de entender por engenheiros do que o método dos elementos finitos e os métodos espectrais.

Pós-Processador: Como no pós-processamento, uma ampla quantidade de trabalho de desenvolvimento aconteceu no campo de pós-processamento. Devido à crecente popularidade dos locais de trabalho de engenheiros, que, recorrentemente, estão equipados com capacidades gráficas notáveis, os pacotes computacionais de CFD vem com ferramentas de visualização de dados versáteis:

• Exibição de geometria do domínio e malha

• G´rafico de vetores

• Gráficos de contornos de linha e sombreados

• Gráficos de superfícies 2D e 3D

• Rastreamento de partículas

• Manipulação de vista

• Saída de dados em cores

• Exibição de resultados dinâmicos em animações

Diante disso, além das capacidades gráficas, é importante destacar que esses códigos tem facilidades de exportação de dados para posterior manipulação extrena e que, assim como em vários outros ramos CAE, a habilidade de saída gráfica de códigos CFD revolucionaram a comunicação de ideias aos não especialistas.