O que é a simulação CFD?

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Simulação CFD

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Image présentant les phénomènes aérodynamique d'un peloton de cycliste - simulation mécanique des fluides CFD

Simulação CFD dos fenómenos aerodinâmicos de um pelotão de ciclistas

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O que é a simulação CFD?

Neste artigo, abordaremos a compreensão da simulação CFD de uma forma geral, detalhando as várias etapas comuns a diferentes tipos de simulação (AVAC, hidrologia, transferência de calor, difusão da poluição, segurança contra incêndios, etc.).

Definição de CFD

[computationnal fluids dynamics] O sucesso de uma simulação CFD depende de: uma compreensão dos desafios do modelo; uma descrição completa da geometria da estrutura; o desenvolvimento de uma malha adaptada à morfologia da estrutura, tornando-a mais densa nas zonas onde os gradientes das quantidades desejadas são susceptíveis de aparecer; um estudo rigoroso das condições de fronteira e iniciais, tendo em conta os mecanismos aeroeléctricos ou hidráulicos mais influentes. E, por fim, uma leitura rigorosa e crítica, por engenheiros qualificados, dos resultados em relação ao problema estudado.

Porquê utilizar a simulação CFD?

CFD, acrónimo de Computational Fluid Dynamics (Dinâmica de Fluidos Computacional), é uma ferramenta de engenharia que se insere na categoria de engenharia assistida por computador (CAE). Mais especificamente, a CFD refere-se à simulação do escoamento de fluidos, tendo em conta os fenómenos físicos e químicos envolvidos (como a turbulência, a transferência de calor ou as reacções químicas).

Simulação CFD: uma alternativa aos ensaios em túnel de vento

Ensaios em túnel de vento

O objetivo dos ensaios em túnel de vento é reproduzir a interação entre o vento turbulento e as estruturas. Para estruturas estruturalmente rígidas, é possível avaliar as cargas aerodinâmicas em modelos rígidos.

Nas últimas cinco décadas, os ensaios em túnel de vento têm sido amplamente utilizados em aplicações industriais e de engenharia civil.

Os ensaios em túnel de vento requerem equipamento dispendioso e instrumentos sofisticados para medir uma série de variáveis de campo (velocidade do vento, cargas de pressão, intensidade da turbulência, etc.). A sua principal limitação é o facto de essas medições serem obtidas apenas em alguns pontos específicos da secção de ensaio, o que limita seriamente a compreensão global dos processos evolutivos ou transitórios de fenómenos complexos e instáveis (como a fragmentação de vórtices, os vórtices turbulentos e a estratificação térmica).

Estudo da ventilação natural num túnel de vento

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Estudo do túnel de vento Eiffel - Crédito @AirDesignLab

Simulação CFD: uma evolução do tipo de caixa de ferramentas

O CFD oferece uma série de vantagens em relação aos ensaios em túnel de vento. Para além de gerar simulações à escala real (em vez dos modelos à escala reduzida utilizados em muitas simulações físicas), também fornece dados adicionais e permite comparar simultaneamente as velocidades do vento para um determinado vento entre dois pontos. É possível realizar estudos hidrológicos, aeroeléctricos ou térmicos a diferentes escalas: da microeletrónica aos estudos de edifícios e cidades. Os resultados podem ser visualizados de forma mais clara e explicados ao maior número possível de pessoas.

Simulação CFD: uma vasta gama de aplicações

Estes métodos podem ser utilizados para resolver uma vasta gama de problemas, como se descreve a seguir.

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O que é que a simulação CFD pode oferecer?

Graças à simulação, é possível melhorar a conceção de um processo ou de um produto sem recorrer à construção de protótipos(dispendiosa e morosa); evitar a tomada de decisões erradas; obter um melhor conhecimento do processo ou do produto, o que permiteavançar mais rapidamente no processo de conceção (escolha das melhores soluções), bem como resolver os problemas que surgem nas instalações ou nos processos já em funcionamento.

Uma vez estabelecido o enquadramento de um problema físico, este pode ser estudado utilizando a simulação numérica CFD.

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Visão geral do modelo CFD

Como é organizado um projeto de simulação CFD?

Quanto tempo devo prever para um projeto de CFD?

De uma forma geral, um projeto de simulação de fluidos envolve um estudo preliminar do processo/fenómeno a analisar, a criação de um modelo geométrico detalhado, a escolha (e implementação se necessário) dos modelos matemáticos adequados, a aplicação de dados operacionais como condições de fronteira, o cálculo numérico (que pode variar de alguns minutos a alguns dias, dependendo da complexidade do cálculo) e a análise dos resultados.

Assim, apesar de nos últimos anos terem sido desenvolvidas aplicações para facilitar a sua utilização, a execução correcta de um projeto de CFD exige experiência e um investimento significativo em recursos.

Definição do problema de estudo

Antes de iniciar um estudo de conceção, é necessário colocar-lhe algumas questões importantes. Estas perguntas são cruciais para determinar a geometria com que iniciaremos as análises, as partes do seu projeto em que nos concentraremos e os parâmetros a observar quando a análise estiver concluída.

Uma vez respondidas estas questões para uma melhor compreensão dos problemas em causa, detalharemos o processo de modelização CFD comum a todos os tipos de projectos.

Preparação do modelo 3D

Como é que o modelo 3D CFD é produzido?

Uma simulação eficaz começa com boas técnicas de modelação, tanto em termos de integridade do modelo como da criação adequada de diferentes regiões de escoamento de fluidos e da otimização da malha. O primeiro passo é conceber um modelo para a análise do escoamento de fluidos. Isto significa modelar a geometria onde o fluxo ocorre e otimizar o modelo para simulação.

Otimização do modelo para simulação

O problema :
A geometria ao nível da produção pode conter espaços, lacunas e pormenores compostos por muitos elementos pequenos que são prejudiciais para a simulação CFD.
Estas características são frequentemente necessárias para o fabrico, mas podem acrescentar uma complexidade desnecessária à simulação. O objetivo é selecionar apenas os elementos que são relevantes para a questão em causa.

Metodologia :
Para poupar tempo e recursos informáticos, reduzimos as partes do modelo que são demasiado pequenas para afetar os resultados da simulação.
Para grandes conjuntos, guardamos apenas as partes críticas do projeto. Isto acelera o processo de resolução.
Nalguns casos, recriamos uma nova versão simplificada do seu desenho para nos concentrarmos nas principais áreas de estudo.

As várias etapas envolvidas na reparação da geometria do modelo 3D CFD:
Eliminar os espaços que impedem o preenchimento das lacunas. Trata-se, em geral, de espaços entre peças, furos, juntas de construção, etc.
Redução de conjuntos muito grandes para incluir apenas componentes vitais.
Eliminar os espaços vazios entre os elementos não ligados.

Preparar o modelo 3D CFD para otimização da malha

Para estudar o movimento dos fluidos num projeto, é necessário modelar a região de escoamento. A maioria dos modelos 3D não o inclui por defeito, pelo que é necessário criá-lo utilizando software que complemente o modelo 3D original. Precisamos também de preparar o modelo para otimizar a malha em áreas de alto risco. Assim, estamos a adicionar peças 3D, invisíveis nas representações e nos estudos CFD, que serão utilizadas para refinar com precisão a malha nas zonas de fluxo a cap tar no estudo CFD.

O que é a malha? (e porque é que isto é importante?)

A geração da malha (3D) é uma fase importante numa análise CFD, dada a sua influência na solução calculada. Uma malha de alta qualidade é essencial para obter resultados de cálculo exactos, robustos e significativos.

Cálculos de elementos finitos

Antes de executar uma simulação CFD, a geometria é dividida em pequenas peças chamadas elementos. O canto de cada elemento é um nó. O cálculo é efectuado nos nós. Estes elementos e nós constituem a malha.

Nos modelos tridimensionais, a maioria dos elementos são tetraedros: um elemento com quatro lados e uma face triangular. Nos modelos bidimensionais, a maioria dos elementos são triângulos.

Estrutura da malha

É feita uma distinção entre malhas estruturadas e não estruturadas, ortogonais ou livres. Numa malha estruturada 3D, o cálculo é mais rápido porque não requer a montagem de uma matriz de ligação. Numa malha não estruturada, este não é o caso. A vantagem desta última é o facto de poder fazer a malha de qualquer geometria. No entanto, a criação e o armazenamento da matriz podem tornar o cálculo consideravelmente mais lento. Este tipo de malha é utilizado para geometrias complexas com curvas ou um grande número de elementos.

Os volumes sólidos requerem muito poucos elementos, ao contrário dos volumes fluidos que requerem um refinamento preciso porque não se podem desviar de uma geometria paralelepipédica; de facto, se os ângulos dos elementos forem muito deformados, existe o risco de o cálculo não convergir.

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Visualização do impacto da malha na resolução dos estudos CFD

Densidade da malha

No que diz respeito à densidade da malha, é necessário encontrar um compromisso entre o custo do tempo de computação e a precisão necessária. Não faz sentido tornar a malha mais densa, e portanto aumentar o número de iterações, se a precisão for suficiente com um número limitado de elementos.

Princípio de adaptação da malha

A qualidade da malha tem um grande impacto na convergência, na exatidão da solução e, sobretudo, no tempo de computação. A boa qualidade da malha baseia-se na minimização de elementos com “distorções” e numa boa “resolução” em regiões com um forte gradiente (fenda, camadas limite, recirculação, etc.).

A malha é adaptada para ser tão fina quanto possível nas zonas de estudo críticas. Isto permite ter em conta os fenómenos macroscópicos (volumetria dos edifícios), canalizando os tubos de corrente através do efeito venturi, ao mesmo tempo quecapta corretamente os fenómenos aeraúlicos de menor escala (difusão do ar).

Como são definidas as condições de fronteira CFD?

Condições iniciais

As condições iniciais representam as características do escoamento em termos de velocidade e posição da superfície livre no início da simulação. Se o cálculo começar com valores aleatórios, a simulação pode divergir rapidamente. Para não se afastar demasiado dos resultados realistas e para otimizar o tempo de cálculo, as condições iniciais são estudadas e escolhidas antes do estudo CFD.

Condições de fronteira

O estudo das condições de fronteira é decisivo na modelação. As condições de fronteira podem ser resumidas como as hipóteses da simulação. Esta é a fase mais decisiva para o sucesso do estudo, devendo ser realizado um estudo detalhado no início do trabalho para estabelecer as condições de fronteira específicas do projeto.

Método de resolução

Seleção do modelo de turbulência

O conceito de um modelo de turbulência é específico da mecânica dos fluidos. Permite-nos catalogar as diferentes estruturas que coexistem num fluxo e atribuir-lhes uma certa importância dentro do fluxo.

Os estudos comparativos dos modelos de turbulência efectuados por Combes [2000] levaram à designação do modelo de transporte de duas equações k-ε como o modelo mais adaptado aos escoamentos generalistas. É um dos modelos mais utilizados, com melhor desempenho, mais simples e mais amplamente validado. k é a energia cinética turbulenta e ε é a taxa de dissipação da energia cinética turbulenta. Logicamente, utilizá-lo-emos para a maioria das simulações de fluidos em termo-aerodinâmica e hidrologia, mas podemos selecionar outros modelos de turbulência para simulações específicas.

Método de cálculo

A solução numérica é obtida através da linearização e discre tização do conjunto de equações de conservação, o que requer que o domínio computacional seja subdividido num certo número de volumes finitos não contíguos (malha). O estudo envolve a resolução do sistema de equações não lineares de Navier-Stokes em servidores informáticos dedicados à CFD.

Visualizar resultados

Resumos gráficos

O escoamento de um fluido num volume é geralmente complexo, com muitas recirculações a baixa velocidade, o que torna difícil a sua visualização num desenho. Relatamos os fenómenos mais marcantes através de imagens/cortes de situações e explicações muito completas.

Dispomos de um vasto leque de representações (tubo de corrente, campo vetorial, isosuperfície, etc.) que nos permitem transcrever o mais fielmente possível os fenómenos aeroeléctricos identificados na ficha técnica.

A interpretação dos resultados requer o domínio do software de análise CFD, mas sobretudo competências em física e conhecimento do produto analisado para explicar com precisão os diferentes fenómenos.

Resumos gráficos

Com base na nossa experiência, para os elementos mais marcantes, são produzidos vídeos que mostram as diferentes vistas do modelo CFD de uma forma dinâmica. A ficha técnica pode fazer referência a estes vídeos para facilitar a leitura. Certos fenómenos são difíceis de compreender num plano.

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Vantagens e desvantagens da simulação CFD

Vantagens da simulação CFD

Os modelos podem ser simulados na sua totalidade, permitindo analisar simultaneamente o impacto de numerosos fenómenos
As simulações fornecem dados de medição para qualquer ponto (na grelha)
Podem ser guardados numerosos parâmetros que não são acessíveis nas experiências e os desenhos podem ser protegidos.
No início do processo de conceção, pode ser simulado um grande número de protótipos para recolher rapidamente informações para a otimização do sistema.
As simulações podem contribuir para uma melhor compreensão do problema, a fim de desenvolver soluções técnicas pertinentes.
Integrar a simulação CFD nos seus protocolos de conceção significa trazer uma equipa de especialistas que terão uma perspetiva diferente na procura de uma solução.

Desvantagens da simulação CFD

Estes problemas foram muito reduzidos graças à experiência adquirida pelos engenheiros da EOLIOS em numerosos projectos. É importante realizar este tipo de estudo com uma equipa qualificada.

Quanto custa uma simulação CFD?

É certo que o CFD não é a ferramenta de engenharia mais barata (em comparação com uma aplicação CAD normal ou uma folha de cálculo) dada a sua complexidade e requisitos (experiência, licenças, recursos informáticos).

No entanto, os resultados oferecidos por este tipo de estudo e a sua contribuição para um processo de conceção ou de resolução de problemas não podem ser comparados com os obtidos com ferramentas mais simples.

O custo da simulação CFD é geralmente compensado pela redução do tempo de conceção, pela poupança na criação de protótipos e pelas melhorias introduzidas no processo ou no produto.

Oferecemos protocolos de atribuição adaptados a todos os orçamentos.

Se, depois de ler isto, achar que o seu projeto pode beneficiar das ferramentas CFD, não hesite em contactar-nos e fornecer-lhe-emos um protocolo de estudo claro e detalhado.