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Aula 01: Introdução à Fluidodinâmica Computacional.

1 de março de 2016

Professora Livia Jatobá

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IPRJ 02-07637 DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONALhttp://www.liviajatoba.com/iprj02-07637

http://www.liviajatoba.com/iprj02-07637

O QUE É?

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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.

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O QUE É?

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL

aka:

É uma área da mecânica dos fluidos em constante desenvolvimento.

MECÂNICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL

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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES

NA INDUSTRIA DE PROCESSOSSIMULAÇÃO DE TANQUE DE MISTURAÇÃO GAS-LIQUIDO

Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.

PROJETO DE EQUIPAMENTOS DE SEPARAÇÃO, REATORES, CICLONES.

http://www.cd-adapco.com/cfdImage

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NA INDUSTRIA DE PROCESSOSTURBOMÁQUINAS (BOMBAS, COMPRESSORES, TURBINAS).

SHASHA XIE, Studies of the ERCOFTAC Centrifugal Pump with OpenFOAM, Master’s Thesis, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2010.

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NA INDUSTRIA DE ELETRÔNICOS



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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:10.1186/2190-5983-4-6

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NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICASIMULAÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA.



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NA INDUSTRIA AEROESPACIALPROJETO DE AVIÕES, MOTORES À JATO


Créditos: ATA Engineering, Inc. www.ata-e.com/services/computational-fluid-dynamics-cfd-and-fluid-structure-interaction-fsi-analysis-services, em Agosto 2015.


http://www.ata-e.com/services/computational-fluid-dynamics-cfd-and-fluid-structure-interaction-fsi-analysis-services

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NA INDUSTRIA AEROESPACIAL


Créditos: CD-ADAPCO, www.cd-adapco.com/cfdImage/supersonic-flow-around-spacex-falcon-launch-vehicle-plumes, em Agosto de 2015.

Escoamento supersônico ao redor do veículo espacial FALCON da SPACEX

http://www.cd-adapco.com/cfdImage/supersonic-flow-around-spacex-falcon-launch-vehicle-plumes

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NA INDUSTRIA NAVAL


PROJETO DE NAVIOS, PROPULSORES, ANÁLISE DA INTERAÇÃO FLUIDO/ESTRUTURA.


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NA ÁREA AMBIENTALANÁLISE DA DISPERSÃO DE POLUENTES

Créditos: Synergetics, synergetics.com.au/component/tags/tag/2-cfd, em Agosto 2015.

http://synergetics.com.au/component/tags/tag/2-cfd

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NO ESPORTE

AERODINÂMICA NO ESPORTE PARA MELHORIA DE PERFORMANCE.



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NA MEDICINA


SIMULAÇÃO DA AORTA, CAVIDADE NASAL, ANEURISMA.


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NA MEDICINA


SIMULAÇÃO DA ADMINISTRAÇÃO DE MEDICAMENTOS.


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NA MEDICINA


SIMULAÇÃO DE BOMBA PARA SANGUE.


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NA BIOLOGIAESTUDO DO COMPORTAMENTO DE BACTÉRIAS

Créditos: Enkeleida Lushi, Hugo Wiolandb, e Raymond E. Goldsteinb, PNAS, vol. 111, no. 27, 9733–9738, 2014.doi: 10.1073/pnas.1405698111, http://www.pnas.org/content/111/27/9733.full?tab=ds

http://www.pnas.org/content/111/27/9733.full?tab=ds

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NA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO

http://www.realflow.com/

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NA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO


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EXEMPLOS DE APLICAÇÕESNA INDÚSTRIA DO ENTRETENIMENTO


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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.

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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.

ESCOAMENTO EM UMA CAVIDADE

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ESCOAMENTO EM TORNO DE UM CILINDRO

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ESCOAMENTO EM DUTO DE SEÇÃO CIRCULAR

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BIBLIOGRAFIA

FERZIGER, J. H. , PERIC., M., “Computational methods for fluid dynamics”, Springer, 1996.

MALISKA, C.R., “Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos Computacional”, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., 1995.

VERSTEEG, H. K. e MALALASEKERA, W., “An introduction to computational fluid dynamic : the finite volume method”, Longman , 1995.

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PLANO DE AULAS

Consulte o plano de aulas em: www.liviajatoba.com/iprj02-07637-plano-aulas

http://www.liviajatoba.com/iprj02-07637-plano-aulas.html

PRÉ-REQUISITOS

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✓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).

OBJETIVO DO CURSO

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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.

POR QUE CFD?

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✓ 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.

FERRAMENTAS DE PROJETO

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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO

MÉTODOS ANALÍTICOS

MÉTODOS NUMÉRICOS

EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO


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MÉTODOS NUMÉRICOS

MÉTODOS TEÓRICOSResolvem equações diferenciais (modelo matemático) que representa o problema físico.


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MÉTODOS NUMÉRICOS

PRINCIPAL DIFERENÇAComplexidade das equações que cada método consegue resolver.

As hipóteses desviam o modelo do fenômeno

físico real.


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EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO

Vantagem: configuração real.Desvantagem: alto custo e, em alguns casos, se quer é factível.


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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.

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PROBLEMA FÍSICO

MODELO MATEMÁTICO

TESTES EM LABORATÓRIO

RESULTADO ANALÍTICO

RESULTADO NUMÉRICO

RESULTADO EXPERIMENTAL

Métodos experimentais:Concepção do experimento.Qualidade dos equipamentos de medição.Leis de similaridade.

Métodos teóricos:Leis de conservação.Relações constitutivas, modelos de turbulência.Condições de contorno.

Método analítico: solução exata das equações diferenciais.

Método numérico:Integração espacial e temporal.Malha.Funções de interpolação.Solução de sistemas algébricos.Critérios de convergência.

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PROBLEMA FÍSICO

MODELO MATEMÁTICO

TESTES EM LABORATÓRIO

RESULTADO ANALÍTICO

RESULTADO NUMÉRICO

RESULTADO EXPERIMENTAL

VERIFICAÇÃO

VALIDAÇÃO

MÉTODOS NUMÉRICOS

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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.

ETAPAS DE UMA SIMULAÇÃO CFD

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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.

PRÉ-PROCESSAMENTO

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EXEMPLO DE MODELO GEOMÉTRICO E MALHA

PÓS-PROCESSAMENTO

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CAMPO DE VELOCIDADE

PÓS-PROCESSAMENTO

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CAMPO DE VELOCIDADE

PÓS-PROCESSAMENTO

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CAMPO DE PRESSÃO

RESUMO

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✓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).

APLICATIVOS

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PROPRIETÁRIOS LIVRES

OpenFOAMfoam-ext

SU2PyFR

FLUENTCFX

COMSOLSTAR-CD

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