O que é a simulação CFD?

O que é a simulação CFD?

Neste artigo interessa-nos a compreensão da simulação CFD de forma geral, detalhando as diferentes etapas comuns aos vários tipos de simulação (AVAC, hidrologia, transferência de calor, difusão da poluição, segurança contra incêndios…).

Definição da CFD

Porquê utilizar a simulação CFD?

A CFD, acrónimo de « Computational Fluid Dynamics », é uma ferramenta de engenharia que se enquadra naquilo a que se chama engenharia assistida por computador (CAE). Mais precisamente, a CFD refere-se à simulação do escoamento de fluidos, tendo em conta os fenómenos físicos e químicos envolvidos (tais como a turbulência, a transferência de calor ou as reações químicas).

A simulação CFD: uma alternativa aos ensaios em túnel de vento

Os ensaios em túnel de vento

Os ensaios em túnel de vento têm por objeto reproduzir a interação entre o vento turbulento e as estruturas. Para as obras estruturalmente rígidas, é possível avaliar as cargas aerodinâmicas sobre maquetas rígidas.

Os ensaios em túnel de vento foram amplamente utilizados em aplicações industriais e em engenharia civil ao longo das últimas cinco décadas.

Os ensaios em túnel de vento exigem uma instalação dispendiosa e instrumentos sofisticados para medir um conjunto de variáveis de campo (velocidade do vento, cargas de pressão, intensidade da turbulência, etc.). A sua principal limitação reside no facto de tais medições só serem obtidas em alguns pontos precisos da secção de ensaio, o que restringe consideravelmente a compreensão global dos processos evolutivos ou transitórios de fenómenos complexos não estacionários (como o desprendimento de vórtices, as esteiras de turbulência e a estratificação térmica).

Estudo da ventilação natural em túnel de vento

A simulação CFD: uma evolução do tipo caixa de ferramentas

A CFD oferece numerosas vantagens para a ventilação face aos ensaios em túnel de vento. Além de gerar simulações à escala real (em vez de modelos à escala reduzida, como em muitas simulações físicas), fornece também dados complementares e permite comparar, para um dado vento, as velocidades do vento em simultâneo entre dois pontos. É possível realizar estudos de hidrologia, de aeráulica ou de térmica a diferentes escalas: da microeletrónica aos estudos de edifícios e de cidades. Os resultados podem ser visualizados com mais clareza e explicados ao maior número de pessoas.

A simulação CFD: um leque muito vasto de aplicações

Estes métodos permitem resolver um leque muito vasto de problemáticas que apresentamos mais abaixo.

O que pode trazer a utilização da simulação CFD?

Graças à simulação CFD, a conceção de um processo ou de um produto pode ser melhorada sem recorrer à construção de protótipos (dispendiosos em tempo e em dinheiro); pode evitar-se uma má tomada de decisão; obtém-se um melhor conhecimento do processo ou do produto, graças ao qual é possível avançar mais depressa nos processos de conceção (escolha das melhores soluções), bem como resolver os problemas que surgem em instalações ou processos já em funcionamento.

A partir do momento em que o enquadramento de um problema físico pode ser definido, este pode ser estudado em simulação numérica CFD.

Como se organiza um projeto de simulação CFD?

Quanto tempo prever para um projeto CFD?

De forma geral, um projeto de simulação de fluido implica um estudo prévio do processo ou do fenómeno a analisar, a criação de um modelo geométrico detalhado, a escolha (e a implementação, se necessário) dos modelos matemáticos adequados, a aplicação dos dados de exploração como condições de fronteira, o cálculo numérico (que pode variar de alguns minutos a alguns dias, consoante a complexidade do cálculo) e a análise dos resultados.

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

Definição da problemática de estudo

Antes de iniciar um estudo de conceção, temos de lhe colocar algumas questões importantes. Estas questões são cruciais para determinar a geometria com a qual vamos começar as análises, as partes da sua conceção em que nos vamos concentrar e os parâmetros a observar depois de concluída a análise.

Obtidas estas respostas, que permitem melhorar a compreensão dos desafios, detalhamos aqui o processo de modelação CFD comum a todos os tipos de projeto.

Preparação do modelo 3D

Como é realizado o modelo 3D de estudo CFD?

Uma simulação eficaz começa por boas técnicas de modelação, tanto em termos de integridade do modelo como de criação adequada das diferentes regiões de escoamento dos fluidos e de otimização da malha. A primeira etapa consiste em conceber um modelo para a análise do escoamento dos fluidos. Isso significa modelar a geometria onde ocorre o escoamento e otimizar o modelo para a simulação.

Otimizar o modelo para a simulação

Preparar o modelo 3D CFD para a otimização da malha

Para estudar o movimento dos fluidos numa conceção, tem de existir uma modelação da região de escoamento. A maioria dos modelos 3D não a inclui por defeito: trata-se então de a realizar a partir de programas que completam o modelo 3D de origem. Por outro lado, trata-se também de preparar o modelo para a otimização da malha nas zonas mais críticas. Assim, acrescentamos peças 3D, invisíveis nas imagens e nos estudos CFD, que terão por função permitir refinar com precisão a malha nas zonas de escoamento a captar.

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

A geração da malha (3D) é uma fase importante de uma análise CFD, dada a sua influência na solução calculada. Uma malha de muito boa qualidade é essencial para obter um resultado de cálculo preciso, robusto e significativo.

Cálculos em elementos finitos

Antes de executar uma simulação CFD, a geometria é dividida em pequenos pedaços chamados elementos. O canto de cada elemento é um nó. O cálculo é efetuado nos nós. Estes elementos e nós constituem a malha.

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

Estrutura de malha

Distingue-se a malha estruturada e não estruturada, ortogonal ou livre. Numa malha estruturada em 3D, o cálculo é mais rápido, uma vez que não exige a montagem de uma matriz de ligação. Numa malha não estruturada, não é esse o caso. A vantagem desta última é permitir malhar geometrias quaisquer; em contrapartida, a criação e o armazenamento em memória da matriz podem abrandar fortemente o cálculo. Este tipo de malha é utilizado em geometrias complexas com curvas ou um grande número de elementos.

Os volumes sólidos exigem poucos elementos, ao contrário dos volumes de fluidos, que exigem um refinamento preciso, pois não se podem afastar de uma geometria paralelepipédica; com efeito, nos ângulos dos elementos muito deformados há o risco de o cálculo não convergir.

Densidade de malha

No que respeita à densidade da malha, importa encontrar um compromisso entre o custo do tempo de cálculo e a precisão pretendida. É inútil densificar a malha, e por consequência 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 impacto sério na convergência, na precisão da solução e sobretudo no tempo de cálculo. Uma boa qualidade de malha assenta na minimização dos elementos que apresentam «distorções» e numa boa «resolução» nas regiões com forte gradiente (folgas, camadas limite, recirculação…).

A malha é adaptada para ser o mais fina possível nas zonas de estudo críticas. Isso permite ter em conta os fenómenos macroscópicos (volumetria do edifício), que canalizam tubos de corrente por efeito de Venturi, captando ao mesmo tempo corretamente os fenómenos aeráulicos de menor escala (difusão de ar).

Como são definidas as condições de fronteira CFD?

Condições iniciais

As condições iniciais representam as características do escoamento em termos de velocidade e de posição da superfície livre no arranque da simulação. Se o cálculo começar com valores aleatórios, a simulação corre o risco de divergir rapidamente. Para não nos afastarmos demasiado de resultados realistas e para otimizar o tempo de cálculo, as condições iniciais são estudadas e escolhidas a montante do estudo CFD.

Condições de fronteira

O estudo das condições de fronteira é determinante numa modelação; podem resumir-se as condições de fronteira como as hipóteses da simulação. Trata-se da etapa mais determinante para o sucesso do estudo: a definição das condições de fronteira específicas do projeto deverá ser objeto de um estudo detalhado logo no início da missão.

Método de resolução

Seleção do modelo de turbulência

A noção de modelo de turbulência é particular na mecânica dos fluidos. Permite catalogar as diferentes estruturas que coexistem num escoamento e atribuir-lhes uma certa importância no seio do escoamento.

Estudos comparativos dos modelos de turbulência conduzidos por Combes [2000] permitiram designar o modelo de duas equações de transporte k-ε como o mais adequado aos escoamentos generalistas. É um dos modelos mais utilizados, o mais eficaz, o mais simples e o mais amplamente validado. k representa a energia cinética turbulenta e ε a taxa de dissipação dessa energia cinética turbulenta. Logicamente, utilizá-lo-emos na maioria das simulações de fluidos em termoaeráulica e em hidrologia, mas podemos selecionar outros modelos de turbulência para simulações específicas.

Método de cálculo

A solução numérica é conduzida através da linearização e da discretização do conjunto das equações de conservação, o que exige a subdivisão do domínio de cálculo num número de volumes finitos não contíguos (a malha). A resolução do estudo consiste na resolução do sistema de equações não lineares de Navier-Stokes em servidores informáticos dedicados à CFD.

Visualização dos resultados

Sínteses gráficas

O escoamento de um fluido num volume é geralmente complexo e comporta numerosas recirculações de baixa velocidade, o que torna difícil a visualização em planta. Damos conta dos fenómenos mais marcantes através de plantas e cortes de situação acompanhados de explicações muito completas.

Dispomos de uma vasta gama de representações (tubo de corrente, campo vetorial, isosuperfície…) que permitem traduzir da melhor forma os fenómenos aeráulicos identificados na memória técnica.

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

Vídeos de síntese

De acordo com o nosso retorno de experiência, para os elementos mais marcantes, são realizados vídeos que retomam as diferentes vistas do modelo CFD de forma dinâmica. A memória técnica pode remeter para esses vídeos a fim de facilitar a leitura, já que certos fenómenos se revelam pouco compreensíveis em planta.

Vantagens e inconvenientes da simulação CFD

Estas problemáticas são muito nitidamente reduzidas graças à experiência adquirida em numerosos projetos pelos engenheiros da EOLIOS. É importante realizar este tipo de estudo com uma equipa qualificada.

Quanto custa uma simulação CFD?

Sejamos honestos: a CFD não é a ferramenta de engenharia mais barata (em comparação com uma aplicação ou uma folha de cálculo CAD padrão), dada a sua complexidade e as suas exigências (experiência, licenças, recursos de cálculo).

Em contrapartida, os resultados que este tipo de estudo oferece e o seu contributo para um processo de conceção ou de resolução de problemas não podem ser comparados com os obtidos com ferramentas mais simples.

A redução do tempo de conceção, as poupanças em prototipagem e a melhoria do processo ou do produto compensam geralmente o custo da simulação CFD. Propomos protocolos de missão adaptados a qualquer orçamento.