ESTUDO DA VIABILIDADE DO SOFTWARE ANSYS FLUENT COMO APOIO NO PROCESSO DE COLAGEM NA INDÚSTRIA CERÂMICA

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1 ESTUDO DA VIABILIDADE DO SOFTWARE ANSYS FLUENT COMO APOIO NO PROCESSO DE COLAGEM NA INDÚSTRIA CERÂMICA Oliveira, J. L.*; Lirman, J. C.*; Araújo, M.S.*; Cerri, J. A.** *DAMEC/UTFPR, Curitiba, Brasil ** DACOC/UTFPR, Curitiba, Brasil Resumo/Abstract A utilização de programas de simulação está se tornando cada vez mais comum no ambiente de empresas, um exemplo é a fluidodinâmica computacional. Este trabalho visa verificar a viabilidade da utilização desta ferramenta computacional como apoio no projeto de moldes para a fabricação materiais cerâmicos por colagem sob pressão. Palavras-chave: colagem sob pressão, fluidodinâmica computacional, viabilidade. The use of simulation programs is becoming more and more usual in the environment of companies, one example is the computational fluid dynamics (CFD). This work aims to verify the viability of using this computational tool to support mould design to manufacture ceramic materials by pressure slip casting. Keywords: slip casting, computational fluid dynamics, viability. Introdução Empresas petroquímicas, automobilísticas e aeroespaciais já utilizam softwares de simulação nas áreas estruturais, de escoamentos, aerodinâmica entre outras. A indústria cerâmica utiliza plantas industriais que podem ter algumas etapas modeladas a partir do conhecimento de escoamentos de fluidos, como filtros (moldes porosos) e formação de corpo verde. A produção cerâmica mundial situa-se na faixa dos 150 milhões de peças por ano, sendo que a América Latina detém 23% do mercado mundial. A tendência é que esta porcentagem aumente, pois ainda há um crescimento da renda per capita e demográfico no Brasil [1]. A indústria cerâmica brasileira corresponde a 1% do Produto Interno Bruto (PIB), cerca de 6 bilhões de dólares [2]. A análise computacional aliada à linha de produção é um ciclo fechado. Pois, o incremento de dados experimentais no programa geram modelos matemáticos mais previsionais do comportamento observado, permitindo a melhor compreensão do fenômeno físico, que por sua vez dão origem a projetos mais adequados. A meta do projeto de pesquisa é simular a formação de parede na cavidade de um molde poroso pelo processo de fabricação de colagem sob pressão. O primeiro passo para atingir essa meta é verificar a viabilidade da utilização de um software comercial de fluidodinâmica 1/7

2 computacional - comumente chamado de CFD (do inglês, Computational Fluid Dynamics) para a aplicação na indústria cerâmica, que é o tema deste artigo. Materiais e Métodos Foi necessário um estudo sistemático do programa após decidir utilizar o software ANSYS FLUENT CFD. Inicialmente, estudou-se alguns tutoriais básicos para familiarização com a interface gráfica. Este estudo possibilitou determinar as áreas de atuação do software que seriam úteis à indústria cerâmica. Todavia, para a simulação são necessários outros programas para as etapas iniciais do processo como, por exemplo, SolidWorks, para a modelagem das geometrias e ICEM CFD, para a confecção das malhas. O fluxograma apresentado na Figura 1 mostra a interação de dados entre os programas. Figura 1 - Fluxograma de comunicação de dados entre os programas. Os programas utilizados foram: SolidWorks : é um programa necessário para auxiliar em projetos e desenho técnico. Faz-se uso do sistema CAD (do inglês: Computer-Aided Design) que fornece ferramentas para a construção de entidades geométricas planas e tridimensionais. Para este trabalho, utilizou-se apenas de geometrias 2D, sendo que estas foram salvas no formato.parasolid para posterior uso no programa de confecção de malhas. ICEM CFD: este software contém uma série de ferramentas que facilitam a criação de malhas tetragonal, hexagonal e híbrida. No caso de um tubo com escoamento, por exemplo, pode-se editar as malhas, melhorando-as em pontos específicos - como pontos de carga e pressão. 2/7

3 FLUENT CDF: programa utilizado em análise de fluidodinâmica computacional. Neste programa a malha criada no ICEM CFD é transferida. Após importar, pode-se configurar o modelo físico adicionando condições de contorno. Com isso, têm-se modelos de turbulência, escoamento transiente e transferência de calor. Depois do processamento, o usuário pode avaliar a convergência e visualizar os resultados. Para obter o sistema desejado, foi criado e analisado uma sequência de simulações com incremento de dificuldades. A Figura 2 esquematiza o sistema montado para a simulação computacional. software foram criadas malhas quadrangulares espaçadas uniformemente. As malhas foram salvas no formato.msh, para sua utilização no FLUENT. O refinamento do volume de controle foi realizado nas regiões de entrada e saída com objetivo de obter melhores resultados para as propriedades desejadas. No programa FLUENT, após configurar as condições de contorno, juntamente com dados de entrada, simula-se o sistema. Completa a simulação, os dados são examinados e os resultados obtidos incrementam o modelo inicial. Durante o trabalho, considerou-se que o sistema encontra-se em regime permanente e o escoamento do fluxo é laminar ou turbulento, de acordo com o número de Reynolds na equação número 1. µ.v. D Re = (1) ρ Onde v é a velocidade média do fluido, D é o diâmetro para o fluxo no tubo, µ é a viscosidade dinâmica do fluido, ρ é a massa Figura 2 Esboço do sistema com a nomenclatura das partes envolvidas no processo. Após a confecção da geometria no SolidWorks, o arquivo.sldprt foi importado para o ICEM. Nesse específica do fluido. Sendo Re 2300 para o escoamento é laminar e, caso contrário, turbulento [3]. No escoamento laminar as camadas de fluido se deslocam, através das chamadas linhas de corrente, sem que ocorra mistura macroscópica entre as camadas [4]. O escoamento turbulento caracteriza-se pelo 3/7

4 movimento caótico de massas do fluido. Nesse caso, ocorrem misturas entre as camadas e a velocidade oscila em torno de um valor médio, porém muda de direção constantemente [4]. Os modelos utilizados para análise e obtenção de dados através de simulações, encontra-se nas Figuras de 3 a 6. Figura 3 Meio homogêneo aquoso, escoamento laminar, sem retenção. Figura 6 - Meio homogêneo aquoso, escoamento turbulento, com retenção em função do tempo. Os dados de entrada no programa do corpo poroso e fluido são: porosidade, resistência, densidade e viscosidade. Os valores dos dados de entrada e saída foram adicionados assim como a pressão, assim como o fluxo de massa. Resultados e discussões Figura 4 - Meio homogêneo aquoso, escoamento turbulento, sem retenção. Figura 5 - Meio homogêneo aquoso, escoamento turbulento, com retenção constante. Entre as diversas áreas que se pode trabalhar com o FLUENT CFD, escolheu-se trabalhar com escoamento, sistemas monofásicos e multifásicos para simular a etapa de colagem sob pressão da barbotina em um molde poroso do processo de fabricação cerâmica. Entretanto é possível determinar também regiões críticas de acúmulo de tensões no molde utilizado na fabricação das peças. O sucesso de uma simulação depende do quão apurado foi o procedimento durante a modelagem. Portanto, o conhecimento das variáveis utilizadas é necessário [6]. No processo de colagem de barbotina, algumas variáveis são tidas como constantes: 4/7

5 - tamanho médio de partícula (volume, área superficial, diâmetro); - temperatura da solução; Enquanto outras variam em função do tempo: - viscosidade da barbotina; - fração de volume (partículas/fluido); - taxa de dispersão das partículas; - velocidade do fluido (barbotina); A pressão e a gravidade devem ser inseridas de acordo com as condições de projeto. As variáveis serão obtidas através do sistema mostrado na Figura 7. Figura 7 - Aparato para medição de permeabilidade e formação de parede. A inovação do programa consiste na possibilidade de utilizar a teoria de Formação de Parede por Filtração. Esta teoria é baseada na lei que descreve o escoamento em meios porosos, conhecida como lei de Darcy [5]. E, a expressão matemática que representa essa lei está expressa na equação (2): 1 dv k dp V =. =. (2) A dt η dx Onde V é a velocidade superficial do escoamento (cm/s), A é a área do filtrado (cm²) v é o volume do filtrado (cm³), η é a viscosidade do filtrado (mpas), P é a diferença de pressão (Pa), x é a espessura da parede dp (cm), é o gradiente de pressão ao longo da dx espessura x. Para aplicação dessa lei são feitas as seguintes simplificações: - A filtração é unidirecional; - A reologia do fluido permanece constante; - A permeabilidade da parede porosa permanece constante; - Não há diferença significativa se a pressão é devida à capilaridade dos poros, vácuo ou pressão externa aplicada ao fluido. Para GALHARDI [6], apesar das simplificações adotadas, o modelo apresentouse satisfatório com observações e experimentos na prática. Segundo Porciúncula [7], que utiliza a fluidodinâmica computacional para simular a retenção de partículas sólidas em filtro, pode- 5/7

6 se calcular a perda de carga, assim como a permeabilidade do meio poroso de acordo com o diâmetro da parede e espessura. Pak [8] utiliza técnicas de CFD para modelar meios porosos. Em seu trabalho utilizou-se do teorema de Navier-Stokes que envolve a lei de Darcy (2) e a equação de transferência de massa (3) para simular uma membrana porosa. ( ρ.v.c) = ( ρ.d. C) (3) DATABASE do FLUENT. Logo, é necessário criar um fluido genérico que tenha as mesmas características do original. O mesmo vale para as partículas suspensas na barbotina que serão depositadas sobre o corpo poroso. Agradecimentos Os autores agradecem ao apoio do CNPq, da Secretaria do Estado do Paraná, da Fundação Araucária e da UTFPR. Onde C é concentração do soluto, D é coeficiente de difusão, ρ é densidade do fluido e V é o vetor velocidade da partícula. No FLUENT pode-se também modelar o corpo poroso a partir de empacotamento Apoliniano, obtidos a partir de redes fractais [9]. Isso possibilita a comparação entre modelo homogêneo e heterogêneo de corpos porosos [10]. O programa é viável para a simulação de colagem sob pressão. Há alguns problemas a serem resolvidos, por exemplo, especificar corretamente a reologia do fluido, que é extremamente complexa. A barbotina possui vários componentes, como a mica, feldspato, calcita, e outros que não se encontram no Referências [1] Felleti,G.D.; Constantini, S., (1996) Tecnologia edimpianteceramici: Passato, Presente e Futuro, Ceramica informazionev. 361, p , maggio. [2] Bustamante, G. M.; Bressiani, J.C.A. Indústria Cerâmica Brasileira. (2000) Cerâmica Industrial, São Paulo, v. 5, n.3, p , Mai/Jun,. [3] Fox, R.W.; McDonald, A.T.; Pritchard, P. J. (2010). Introdução a Mecânica dos Fluidos. 7. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 710 p. [4] Machado, J. C. V. (2002) Reologia e Escoamento de Fluidos: ênfase na 6/7

7 indústria do petróleo. Engenho Novo, RJ: Inter ciência, 257 p. [5] Ergün, Y. (2004) Development and Characterization of PMMA Based Pourous Materials Used for High Pressure Casting of Sanitarywere Ceramics, Dissertação de Mestrado. Department Materials Science and Engineering, Izmir Institute of Technology, Pg 50-55, jul. [6] Galhardi, A. C.; (1998) Desenvolvimento e Caracterização de Espumas Rígidas com Poros Intercomunicantes de Polimetacrilato de Metila e sua Aplicação na Industria Cerâmica. Dissertação de Doutorado. Departamento de Engenharia de Materiais, Campinas, UNICAMP, dez. [8] Oliveira, R. S. Propriedades de Escala no Escoamento de Fluido em Meio Poroso Modelado por Empacotamento Apoloniano. Dissertação de mestrado. Departamento de pós-graduação em Física, Salvador, Universidade da Bahia. [9] Pak A. et al (2006) CFD Modeling of Porous Membranes. Elsevier. [10] Daroz V. et al (2012) "Convecção Natural em uma Cavidade Parcialmente Preenchida com um Bloco Poroso: Comparação entre os Modelos Homogêneo e Heterogêneo". Rio Oil & Gas. [7] Porciúncula, C. B.; Marcilio N. R.; Godinho M.; Secchi A. R Simulação Fluidodinâmica Computacional de Filtro Seco para Remoção de Particulados Oriundos da Gaseificação e Combustão do Carvão In: III Congresso Brasileiro de Carvão Mineral. Gramado RS ago. 7/7