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Introdução à Fluidodinâmica Computacional
Aplicação em Processos na Engenharia Química
Luiz Fernando Lopes Rodrigues Silva
Escola de Química, Departamento de Engenharia Química EQE-592 Segurança de Processos e Prevenção de Perdas Universidade Federal do Rio de Janeiro
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Parte I
Introdução à Fluidodinâmica Computacional
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
1 O que é CFD?
Conceito e Definição
Fenômenos de Transporte
2 Porque usar CFD?
Fundamental
Fluidodinâmica Experimental
Fludodinâmica Computacional
3 Onde CFD é usada?
Engenharia Aeroespacial
Engenharia de Segurança e Ambiental
Área Automotiva
Processos Químicos
4 Sumário
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Conceito e Definição Fenômenos de Transporte
O que é CFD e qual o seu objetivo?
C omputational F luid D ynamics
Definição de CFD , segundo Versteeg and Malalasekera: “An Introduction to
Computational Fluid Dynamics”:
Fluidodinâmica Computacional ou CFD é a análise de sistemas envolvendo o
escoamento de fluidos, transporte de calor e fenômenos associados, como
reações químicas, por meios de simulação computacional.
Subconjunto da Mecânica do Contínuo Computacional
Análise de tensão
Eletromagnetismo, incluindo fenômenos de alta e baixa frequência
Predição do tempo e modelos de circulação oceânica e atmosférica
Sistemas de larga escala: dinâmica galática e formação de estrelas
Sistemas complexos de Transferência de calor e massa
Interação fluido estrutura e sistemas acoplados
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Fundamental Fluidodinâmica Experimental Fludodinâmica Computacional
Mas por que usar CFD?
TEORIA DE
FENÔMENOS
DE
TRANSPORTE
Fluidodinâmica Teórica (AFD)
Hipóteses simples
Solução analítica
Fluidodinâmica Experimental (EFD)
Validação experimental
“Construção & teste”
Detalhes locais
Fluidodinâmica Computacional (CFD)
Algorítmos numéricos
Computação científica
Detalhes globais
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Fundamental Fluidodinâmica Experimental Fludodinâmica Computacional
Fluidodinâmica Experimental
Rastro deixado pelo escoamento sobre asa de um jato
Equipamento a laser para aferição
Escoamento sobre um banco de tubos
Escoamento sobre um carro em túnel de água
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Fundamental Fluidodinâmica Experimental Fludodinâmica Computacional
CFD vs. EFD
Simulação baseada na geometria virtual ao invés de “construção & teste”
Menor custo e redução significante no tempo de obtenção de resultados
Resultados em CFD possuem alta fidelidade com banco de dados de escoamento
por EFD
Simulação de fenômenos que possuem aferição experimental complicada
Situação de risco, como explosões, radiação e poluição
Situação física, como previsão do tempo, camada limite planetária e evolução
estelar
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Fundamental Fluidodinâmica Experimental Fludodinâmica Computacional
Características da Fluidodinâmica Computacional
CFD fornece conhecimento e exploração da física do escoamento
Vantagens de CFD ,
CFD complementa AFD e EFD (e
vice versa)
Simulação real de escoamento com
baixo custo
Fornece informações mais
detalhadas
CFD possui maior eficiência e
menor custo em ajustes
experimentais
Limitações de CFD /
Modelos físicos (CC, CI, fluidos
não newtonianos, turbulência,
multifásico, etc.)
Modelos geométricos e malha
(detalhamento e complexidade)
Métodos numéricos (convergência,
estabilidade, resolução numérica,
etc.)
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Engenharia Aeroespacial Engenharia de Segurança e Ambiental Área Automotiva Processos Químicos
Engenharia Mecânica & Automotiva
Simulações CFD Automotivas
Automóveis possuem ampla gama de
aplicações CFD: dentro e fora do veículo,
simulação do motor, conforto do
passageiro, ruído aerodinâmico, etc.
Atual geração de carros são aparatos com
aerodinâmica complexa próximo ao chão:
difícil de analisar e otimizar
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Engenharia Aeroespacial Engenharia de Segurança e Ambiental Área Automotiva Processos Químicos
Engenharia Mecânica & Automotiva (cont.)
Refrigerador Electrolux. Fonte: ESSS
Escoamento natural turbulento dentro de um refrigerador
Erros em torno de 0. 5% frente a dados experimentais
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Engenharia Aeroespacial Engenharia de Segurança e Ambiental Área Automotiva Processos Químicos
Engenharia Química
Aplicações em Processos Químicos
Operações de Separação ou Mistura
Troca de Calor e Massa
Processos de Refino e Reatores
Sistemas Particulados (multifásicos)
Válvulas
Linhas de corrente em um reator de polimerização e em um trocador de
calor casco-tubo. Cortesia de HTRI.
Coluna em leito fluidizado com internos. Cortesia
da Ansys Inc. e UCL.
Estrutura O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Engenharia Aeroespacial Engenharia de Segurança e Ambiental Área Automotiva Processos Químicos
Engenharia Química (cont.)
Operações de Separação ou Mistura
Sedimentação de sólidos em suspensão. Fonte: Fluent Inc.
Mistura de diferentes espécies químicas.
Fonte: Fluent Inc. Separação de sólidos em um
ciclone. Fonte: Fluent Inc.
Leito fluidizado acoplado a um ciclone. Fonte: AAUE.
Leito vibratório:
Operação em vácuo
Operação escoando ar
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Sumário
Sumário
Sumário
Conceitos básicos sobre CFD
Base na teoria de Fenômenos de Transporte:
Fluidodinâmica Analítica
Fluidodinâmica Experimental
Fluidodinâmica Computacional
Aplicações CFD em diversas áreas
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Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Parte II
Visão Geral da Solução CFD
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
5 Softwares e Recursos
Histórico
Softwares Comerciais
Softwares Livres
A solução CFD de um problema
6 Pré-processamento
Descrição da Geometria
Geração de Malha
Especificação de Modelos e Condição de Contorno
7 Solução Numérica
Discretização das Equações
Sistema Linear de Equações
Solução do Escoamento
Computação Paralela
8 Pós-processamento
Análise e visualização
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Histórico Softwares Comerciais Softwares Livres A solução CFD de um problema
Evolução de CFD na Engenharia
Indústria aeroespacial é a primeira e com maior aceitação no uso de técnicas
numéricas, incluindo a Fluidodinâmica Computacional
Primeiros desenvolvimentos de técnicas CFD no início dos anos 60
Primeiros casos de sucesso apareceram nos anos 70
Criação da indústria de serviço baseada em CFD nos anos 80
A indústria de CFD se expande significantemente na década de 90
Aplicações CFD crescem rapidamente: maioria dos equipamentos de engenharia
dependem de efeitos descritos pela mecânica do contínuo
Nos anos 90, CFD se estabelece nas indústrias automotiva, geração de energia,
resfriamento de eletrônicos e processos químicos
Grande aceitação das técnicas CFD para o projeto aerodinâmico externo de um
avião comercial. Uso se expandiu além do interesse inicial, em especial casos com
geometria complexa e difícil aferição experimental
A partir de 2000, CFD está se afastando da “física tradicional” de escoamento de
fluidos e análise de estrutura para abranger sistemas de equações complexos,
acoplados e não-lineares, completando e aperfeiçoando os modelos físicos
existentes: validação
Próximo desafio: integração em processos CAD de engenharia
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Histórico Softwares Comerciais Softwares Livres A solução CFD de um problema
Considere o exemplo
Definição do problema: Temperatura na sala
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Histórico Softwares Comerciais Softwares Livres A solução CFD de um problema
Considere o exemplo (cont.)
Definição das condições de contorno
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Histórico Softwares Comerciais Softwares Livres A solução CFD de um problema
Considere o exemplo (cont.)
Problema típico com solução analítica: Temperatura Média (é suficiente?)
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Histórico Softwares Comerciais Softwares Livres A solução CFD de um problema
Considere o exemplo (cont.)
Discretização do domínio do problema: “pequenas salas” interligadas
As equações de transporte são modificadas para a solução discretizada!
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Etapa de Pré-processamento
Preparando o seu problema...
Detalhamento da geometria do escoamento (possíveis simplificações).
Geração da malha computacional (depende da geometria): domínio espacial.
Escolha dos modelos matemáticos: que tipo de fluido, quais as equações de
interesse: descrição da física do escoamento e os fenômenos relacionados.
Especificação das condições de contorno. Para simulações transientes, condições
iniciais também são necessárias.
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Geometria Virtual
Construção virtual
Simplificações e hipóteses.
Desenhos de engenharia.
Integração com ferramentas CAD
( Computer-Aided Design ): uso de
programas padrões como AutoCAD,
Parasolid, STEP ou IGES.
Coordenadas em sistema cartesiano (x,y,z),
cilíndrico ( r , θ , z ) e esférico ( r , θ , Φ).
Muitos softwares CFD já vem com
ferramentas de construção de geometria
imbutidas no pacote.
Construção de uma geometria no AutoCAD®, importado para o
formato step. Detalhe da geometria de um caminhão.
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Manipulação de malhas
Malha Computacional
A malha computacional representa a descrição do domínio espacial na simulação:
formato externo do domínio e regiões de interesse com aumento na resolução de
malha.
Geração de malha é atualmente o “gargalo” nas simulações CFD. Geradores de
malha totalmente automáticos estão se tornando cada vez melhores e mais
usados. Ao mesmo tempo, a necessidade em obter mais malhas de alta qualidade
e alta resolução está se tornando um problema.
Importância do formato e estrutura da malha está associada ao seu suporte no
processo de discretização das equações.
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Manipulação de malhas (cont.)
Estrutura e organização da malha
Estrutura da malha
Algumas técnicas de solução numérica requerem tipos específicos de malha. Exemplo:
Malhas cartesianas para métodos de diferenças finitas de alta ordem.
Escolha da estrutura da malha pode limitar severamente o uso de dado método de
discretização: Propagação de informação numérica na malha.
Tipos de malha
Malha cartesiana
Malha estruturada body-fitted
Malha multi-blocos
Malha não-estruturada: tetraédrica e mista tetra-hexaédrica
Malha poliédrica
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Estrutura de Malha: Não-estruturada
Malha não-estruturada
Conectividade entre os blocos acima introduz o conceito de armazenar a
conectividade ao invés de calculá-la: malha não-estruturada
Definição aberta da conectividade permite maior liberdade: malhas hexaédricas e
hexaédricas degenerados: prismas, pirâmides, cunhas etc. permitem grandes
facilidades na geração de malhas.
Do ponto de vista numérico, este é um grande passo. Geometrias de interesse
industrial agora podem ser representadas com detalhada descrição
Neste ponto, simulações numéricas em nível industrial avançam
significativamente. Lidar com pás de misturadores não é tão difícil. Construção
de malhas para sistemas complexos ainda são um desafio.
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Estrutura de Malha: Não-estruturada (cont.)
No atual estágio, todas as malhas são feitas “à mão”. Malhas 3-D complexas tomam 2-3 meses.
Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Estrutura de Malha: Tetraédrica
Geração automática: malha tetraédrica
Método de avanço de camadas : começa a partir da triangulação do contorno e insere
tetraedros de acordo com a prioridade das camadas.
Triangulação de Delaunay : inserção de pontos e re-triangulação. A malha inicial é criada
pela triangulação no contorno. Novos pontos são adicionados de modo a melhorar a
qualidade da maioria dos triângulos distorcidos.
Estrutura Softwares e Recursos Pré-processamento Solução Numérica Pós-processamento
Descrição da Geometria Geração de Malha Especificação de Modelos e Condição de Contorno
Estrutura de Malha: Cut Cell
Geração automática: malhas cut cell
Antes de realizar cortes sobre a superfície, a malha no fundo sofre um refino local
de modo a encaixar com as superfícies.
Poliédros ficam concentrados em região de contorno; em alguns casos, volumes
de controle muito pequenos são criados.
