Professora Livia Jatobá

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1 IPRJ DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL Professora Livia Jatobá Aula 01: Introdução à Fluidodinâmica Computacional. 1 de março de

2 O QUE É? A DINÂMICA DOS FLUIDOS ESTUDA A AÇÃO DE FORÇAS EM FLUIDOS PRODUZINDO MOVIMENTO. A DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL ESTUDA A SOLUÇÃO NUMÉRICA DAS EQUAÇÕES QUE GOVERNAM O ESCOAMENTO DE FLUIDOS. 2

3 O QUE É? aka: COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL MECÂNICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL É uma área da mecânica dos fluidos em constante desenvolvimento. 3

4 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA DE PROCESSOS SIMULAÇÃO DE TANQUE DE MISTURAÇÃO GAS-LIQUIDO PROJETO DE EQUIPAMENTOS DE SEPARAÇÃO, REATORES, CICLONES. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

5 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA DE PROCESSOS TURBOMÁQUINAS (BOMBAS, COMPRESSORES, TURBINAS). SHASHA XIE, Studies of the ERCOFTAC Centrifugal Pump with OpenFOAM, Master s Thesis, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,

6 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA DE ELETRÔNICOS Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

7 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICA PROJETO DE CARROS: AERODINÂMICA EXTERIOR (REDUÇÃO DE ARRASTO), PROJETO DE COMPONENTES (VENTILAÇÃO, MOTOR, EXAUSTÃO) Crédito: Othmer, C. Journal of Mathematics in Industry, 2014, doi: /

8 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICA SIMULAÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

9 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA AEROESPACIAL PROJETO DE AVIÕES, MOTORES À JATO Créditos: ATA Engineering, Inc. computational-fluid-dynamics-cfd-and-fluid-structure-interaction-fsianalysis-services, em Agosto Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

10 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA AEROESPACIAL Escoamento supersônico ao redor do veículo espacial FALCON da SPACEX Créditos: CD-ADAPCO, em Agosto de

11 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDUSTRIA NAVAL PROJETO DE NAVIOS, PROPULSORES, ANÁLISE DA INTERAÇÃO FLUIDO/ ESTRUTURA. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

12 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA ÁREA AMBIENTAL ANÁLISE DA DISPERSÃO DE POLUENTES Créditos: Synergetics, synergetics.com.au/component/tags/tag/2-cfd, em Agosto

13 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NO ESPORTE AERODINÂMICA NO ESPORTE PARA MELHORIA DE PERFORMANCE. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

14 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA MEDICINA SIMULAÇÃO DA AORTA, CAVIDADE NASAL, ANEURISMA. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

15 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA MEDICINA SIMULAÇÃO DA ADMINISTRAÇÃO DE MEDICAMENTOS. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

16 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA MEDICINA SIMULAÇÃO DE BOMBA PARA SANGUE. Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, em Agosto

17 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA BIOLOGIA ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE BACTÉRIAS Créditos: Enkeleida Lushi, Hugo Wiolandb, e Raymond E. Goldsteinb, PNAS, vol. 111, no. 27, , doi: /pnas , 17

18 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO 18

19 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO 19

20 EXEMPLOS DE APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO 20

21 SOBRE A DISCIPLINA PARTE TEÓRICA Introdução à fluidodinâmica computacional. Revisão das equações de conservação e condições de contorno. Introdução à turbulência e modelos de turbulência. Métodos numéricos para a solução das equações de transporte: métodos de diferenças finitas e de volumes finitos. Método dos volumes finitos. Solução seqüencial das equações de conservação. Métodos de acoplamento pressão velocidade. 21

22 SOBRE A DISCIPLINA PARTE PRÁTICA Conceitos básicos para o uso do terminal em Linux. Softwares livre para construção de malhas: blockmesh e gmsh. Softwares livre para simulação de dinâmica de fluidos computacional: OpenFOAM. Aplicativos de pósprocessamento e análise de resultados: paraview e gnuplot. Tutoriais: escoamento em um cavidade, escoamento em torno de um cilindro, escoamento em duto de seção circular e transporte de um escalar. 22

23 ESCOAMENTO EM UMA CAVIDADE 23

24 ESCOAMENTO EM TORNO DE UM CILINDRO 24

25 ESCOAMENTO EM DUTO DE SEÇÃO CIRCULAR 25

26 BIBLIOGRAFIA FERZIGER, J. H., PERIC., M., Computational methods for fluid dynamics, Springer, MALISKA, C.R., Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos Computacional, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., VERSTEEG, H. K. e MALALASEKERA, W., An introduction to computational fluid dynamic : the finite volume method, Longman,

27 PLANO DE AULAS Consulte o plano de aulas em: 27

28 PRÉ-REQUISITOS Equações que governam o problema de escoamento e transferência de calor em fluidos. Familiaridade com o uso de computador pessoal. Conhecimento de Linux (nível de usuário) é desejado mas não obrigatório. Este não será um curso de programação em C++. Não será necessário nenhum conhecimento prévio de ferramentas CAE (Computer-aided engineering). 28

29 OBJETIVO DO CURSO Fornecer base teórica e prática para o entendimento das etapas de uma simulação CFD: geração da geometria e malha; equações que governam o problema e condições de contorno; solução numérica; pós-processamento dos resultados. 29

30 POR QUE CFD? A solução numérica de problemas da engenharia passou a ser uma realidade graças ao avanço dos recursos computacionais. Computadores mais rápidos e mais baratos tornaram a simulação uma ferramenta acessível e fundamental nos projetos de engenharia. Os avanços computacionais estimulam o desenvolvimento de novos métodos numéricas e algoritmos. O desenvolvimento da área depende de dois fatores: Modelos que representem o problema físico com acurácia. Métodos numéricos e algoritmos que resolvam as equações com baixo erro. 30

31 FERRAMENTAS DE PROJETO SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO MÉTODOS ANALÍTICOS MÉTODOS NUMÉRICOS EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO 31

32 FERRAMENTAS DE PROJETO SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO MÉTODOS ANALÍTICOS MÉTODOS NUMÉRICOS MÉTODOS TEÓRICOS Resolvem equações diferenciais (modelo matemático) que representa o problema físico. 32

33 FERRAMENTAS DE PROJETO SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO MÉTODOS ANALÍTICOS MÉTODOS NUMÉRICOS As hipóteses desviam o modelo do fenômeno físico real. PRINCIPAL DIFERENÇA Complexidade das equações que cada método consegue resolver. 33

34 FERRAMENTAS DE PROJETO SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO Vantagem: configuração real. Desvantagem: alto custo e, em alguns casos, se quer é factível. EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO 34

35 FERRAMENTAS DE PROJETO SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO MÉTODOS ANALÍTICOS MÉTODOS NUMÉRICOS Vantagens: baixo custo e tempo de resposta. Permite o estudo de problemas físicos que não poderiam ser estudados experimentalmente. Resultados detalhados de diferentes variáveis do escoamento. 35

36 FERRAMENTAS DE PROJETO PROBLEMA FÍSICO MODELO MATEMÁTICO Métodos teóricos: Leis de conservação. Relações constitutivas, modelos de turbulência. Condições de contorno. Métodos experimentais: Concepção do experimento. Qualidade dos equipamentos de medição. Leis de similaridade. TESTES EM LABORATÓRIO Método analítico: solução exata das equações diferenciais. RESULTADO ANALÍTICO RESULTADO Método numérico: NUMÉRICO Integração espacial e temporal. Malha. Funções de interpolação. Solução de sistemas algébricos. Critérios de convergência. RESULTADO EXPERIMENTAL 36

37 FERRAMENTAS DE PROJETO MODELO MATEMÁTICO RESULTADO ANALÍTICO VERIFICAÇÃO RESULTADO NUMÉRICO PROBLEMA FÍSICO VALIDAÇÃO TESTES EM LABORATÓRIO RESULTADO EXPERIMENTAL 37

38 MÉTODOS NUMÉRICOS Suas restrições são: a capacidade das equações e condições de contorno de representar o problema físico (modelo matemático). a acurácia do modelo geométrico. a capacidade computacional para discretizar o modelo geométrico (tamanho da malha). o erro da solução numérica. 38

39 ETAPAS DE UMA SIMULAÇÃO CFD 1.Etapa de pré-processamento: - Modelo matemático do problema físico: - Equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia. - Condição de inicial e de contorno. - Equações constitutivas e propriedades do fluido. - Hipóteses simplificadoras. - Modelo geométrico. - Discretização do modelo geométrico (malha). - Discretização das equações diferenciais (método numérico). - Sequência de solução das equações discretizadas (algoritmo). - Critérios de convergência. 2.Etapa de solução: - Solução do sistema algébrico formado (método iterativo). 3.Etapa de pós-processamento: - Análise dos resultados. - Revisão do modelo matemático e hipóteses simplificadoras. 39

40 PRÉ-PROCESSAMENTO EXEMPLO DE MODELO GEOMÉTRICO E MALHA 40

41 PÓS-PROCESSAMENTO CAMPO DE VELOCIDADE 41

42 PÓS-PROCESSAMENTO CAMPO DE VELOCIDADE 42

43 PÓS-PROCESSAMENTO CAMPO DE PRESSÃO 43

44 RESUMO CFD é um método de solução numérica para resolver as equações que governam o escoamento e transferência de calor em fluidos. É uma ferramenta de projeto de engenharia. É usado em estudos puramente científicos (p.e.: fundamentos da turbulência). 44

45 APLICATIVOS PROPRIETÁRIOS FLUENT CFX COMSOL STAR-CD LIVRES OpenFOAM foam-ext SU2 PyFR 45