Existem três métodos principais de previsão do comportamento dos fluidos e sua interação com o ambiente circundante – experimental, analítico e numérico. A Dinâmica de Fluidos Computacional – CFD (ou Computational Fluid Dynamics) refere-se ao método numérico de simulação de movimento de fluido usando métodos computacionais e hardware de alta performance.
A simulação CFD é uma metodologia usada para substituir ou complementar métodos experimentais e analíticos para auxiliar o projeto de engenharia e análise de produtos do dia a dia. Em comparação com a prototipagem e os experimentos, as simulações CFD:
- São mais econômicas
- São mais rápidas
- Lidam com fenômenos que são difíceis para experimentos físicos
- Dão uma compreensão aprofundada da física envolvida
- Exploram facilmente vários designs e cenários
Como funciona a simulação CFD?
A simulação CFD envolve o uso das leis fundamentais da mecânica, que regem as equações da dinâmica dos fluidos e modelagem para formular matematicamente um problema físico. Uma vez formulados, os recursos de computação usam métodos numéricos para resolver as equações usando software CFD para obter soluções aproximadas para as propriedades físicas envolvidas.
As simulações de CFD são baseadas nas equações de Navier-Stokes usadas para descrever a temperatura, pressão, velocidade e densidade de um fluido em movimento. A precisão da simulação CFD depende da fidelidade do modelo, das aproximações e suposições utilizadas, da validação experimental e dos recursos computacionais disponíveis. É importante caracterizar as incertezas e erros na simulação CFD para usá-la como uma ferramenta eficaz em projeto e análise.
Etapas do processo de simulação CFD
Independente do software usado, todas as simulações CFD seguem estas etapas generalizadas:
Pré-processamento
O estágio de pré-processamento envolve a criação da geometria de interesse em 2D/3D, adequada para simulação CFD, e dividindo o domínio em pequenos volumes/células em um processo conhecido como geração de malha ou discretização. A condição do fluxo, as propriedades do fluido, as leis da física, as condições iniciais e de contorno e outras variáveis são traduzidas em modelos matemáticos e equações neste estágio.
Solver
Aqui, o software de simulação CFD começa resolvendo iterativamente as equações discretizadas usando o solver de CFD. Esta etapa pode exigir tempo significativo ou recursos de computação avançados. Para simulações complexas, mais empresas estão se voltando para a computação em nuvem como uma solução econômica para esse problema.
Pós-processamento
Uma vez concluída a resolução, o próximo passo é analisar e visualizar os resultados da simulação de forma qualitativa e quantitativa usando relatórios, monitores, plotagens, imagens 2D/3D e animações. A verificação e validação dos resultados também está incluída nesta etapa.
Aplicações de CFD
O software de simulação CFD é usado em uma ampla gama de aplicações de engenharia sempre que houver necessidade de compreender ou prever o fluxo de fluido, a transferência de calor e o efeito resultante no projeto de um produto ou sistema. No design de produtos e processos industriais, a simulação CFD progrediu de forma significativa para simular o comportamento multifísico em geometrias complexas, permitindo que as empresas entendam totalmente o funcionamento de seu produto, e otimizem seu design virtualmente antes de construir um protótipo.
Indústrias onde a simulação CFD é amplamente usada incluem:
- Aeroespacial
- Automotiva
- Química
- Bens de consumo
- Naval (projeto do navio, sistemas de propulsão, projeto do motor)
- Eletrônicos
- Energia (Nuclear, Petróleo e Gás, Geração de energia)
- Serviços de construção
- Turbo máquinas
- Esportes
- Outras aplicações gerais envolvendo fluxo de fluido e transferência de calor
Simulação CFD na prática
O Simcenter STAR-CCM+ é um software completo para a simulação de produtos e projetos que operam em condições do mundo real, com exploração de projeto automatizada e otimização, permitindo que você explore eficientemente todo o espaço do projeto, em vez de focar pontualmente em cenários de projeto já conhecidos.
O STAR-CCM+ é o software de dinâmica de fluidos líder do mercado mundial, que permite simular quase todo problema de engenharia que envolve o fluxo de líquidos, gases ou sólidos, em conjunto com toda a física associada (reações químicas, trocas térmicas, interações multifásicas).
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