13 Principais Aplicações de Simulação e Modelagem de CFD

A dinâmica de fluidos computacional (CFD) é uma ciência que usa estruturas de dados para resolver problemas de fluxo de fluido - como velocidade, densidade e composições químicas.

Essa tecnologia é usada em áreas como prevenção de cavitação, engenharia aeroespacial, engenharia de HVAC, fabricação de eletrônicos e muito mais.

Abaixo está uma lista dos aplicativos de simulação de CFD mais comuns em uso hoje.

1. Simulação CFD para Prevenir a Cavitação

A cavitação é a formação de bolhas de vapor dentro de um líquido e ocorre quando um objeto (como uma hélice) se move através do líquido. A cavitação pode causar danos a hélices, bicos, turbinas, vertedouros e válvulas.

A cavitação é um problema crítico de dinâmica de fluidos que afeta uma ampla faixa de domínios de engenharia.

O maior problema?

É muito difícil detectar danos causados ​​por cavitação em um componente durante o teste de estresse físico - porque o dano é gradual e não mostra efeitos óbvios até atingir um limite crítico.

Por exemplo, uma maneira de medir os danos de cavitação em uma hélice é usando instrumentos para medir vibrações e ruídos. Mas a maioria dos instrumentos não é sensível o suficiente para medir com precisão esse tipo de dano.

A simulação de cavitação por meio de CFD, no entanto, pode ajudar os engenheiros a definir limites minúsculos que seriam difíceis de medir no mundo físico. Eles podem medir em um nível muito granular para comparar produtos e designs alternativos para melhorar a flexibilidade, durabilidade e segurança de seus projetos.

2. Simulando Máquinas Rotativas usando CFD

Máquinas rotativas como compressores, bombas de vapor, turbinas a gás e turboexpansores têm uma coisa em comum:a carga cíclica que atua na estrutura.

As vedações de labirinto são usadas em vários tipos de máquinas rotativas para reduzir o fluxo de vazamento. O gás que passa pelas vedações geralmente cria uma força motriz que leva à vibração instável do rotor.

O essencial aqui é poder determinar a força dinâmica do rotor que cria instabilidade.

Mais uma vez, em vez de investir em prototipagem constante e testes de estresse físico, a simulação CFD pode ser usada para testar uma variedade de variáveis ​​de projeto para encontrar a construção mais ideal de máquinas rotativas.

3. Simulação CFD para Fluxo Laminar e Turbulento

Turbulência é o movimento súbito e violento de ar, água ou outros líquidos. É um dos fenômenos climáticos mais desastrosos e imprevisíveis enfrentados pelos pilotos. De fato, turbulências extremas podem impossibilitar o controle de seus aviões pelos pilotos das companhias aéreas e podem até causar ferimentos graves aos passageiros.

As simulações CFD usam modelos de turbulência para prever o efeito da turbulência em um projeto de engenharia CAD.

Um dos modelos mais comuns para simulação de turbulência é o k-omega generalizado (GEKO) em ANSYS. A GEKO ajuda a adaptar os modelos de turbulência a uma ampla variedade de aplicações, permitindo que os usuários ajustem parâmetros individuais da simulação, mantendo a calibração do modelo

4. Aplicações de simulação de CFD de aquecimento, ar condicionado e ventilação (HVAC)

Apesar de ser um acessório esquecido de nossas vidas cotidianas, os sistemas HVAC que bombeiam e condicionam o ar em nossas casas e escritórios exigem engenharia e planejamento intensivos.

Para condicionar o ar de um espaço de forma eficaz, manter o ar fluindo através de uma sala e garantir alta qualidade do ar interno (IAQ), os produtos HVAC precisam aproveitar a física da dinâmica dos fluidos.

A criação de difusores HVAC, unidades de tratamento de ar e FTUs normalmente requer testes rigorosos para garantir que possam circular e condicionar o ar de forma eficaz e atender aos padrões IAQ.

Como tal, muitos fabricantes de equipamentos HVAC recorreram à simulação CFD para acelerar a prototipagem e validar novos projetos. A simulação CFD permite que os engenheiros analisem o desempenho potencial de seus produtos em diferentes espaços e em diferentes configurações.

5. Simulação de bateria com CFD

Pelo valor de face, o processo de design da bateria parece ter pouco em comum com projetos aeroespaciais e HVAC - onde o fluxo de ar desempenha um papel vital (e óbvio) na função principal de um produto.

Mas o projeto da bateria é um processo multidisciplinar que requer várias práticas de engenharia – incluindo engenharia química, elétrica, térmica e fluídica. E, como tal, a simulação CFD pode desempenhar um papel importante na otimização do desempenho e segurança das baterias (enquanto usa menos tempo e recursos em testes físicos).

O software CFD como o Simulia pode ajudar os fabricantes de baterias a visualizar em 3D e resolver problemas associados à descarga rápida, aquecimento ambiente excessivo e sobrecarga - que não apenas afetam a vida útil da bateria, mas também a segurança do consumidor.

6. Simulando aerodinâmica com CFD

A aerodinâmica é o estudo de como o ar flui em torno de objetos (como aeronaves ou automóveis).

É talvez a aplicação mais conhecida do CFD – já que designers de automóveis, engenheiros aeroespaciais e fabricantes de equipamentos esportivos usam software de simulação para reduzir o arrasto e o atrito do ar, melhorando a eficiência de seus produtos.

Além de poder projetar produtos aerodinâmicos sem investir em muitos protótipos físicos, a simulação possibilita que os engenheiros testem alterações muito pequenas em seu projeto para maximizar o desempenho - dezenas ou centenas de vezes antes de entrarem em produção.

7. Simulação de transferência de calor e gerenciamento térmico em CFD

A transferência de calor e gerenciamento térmico é a disciplina de medir como o calor se move através de projetos sólido-fluido (por exemplo, tubos que transferem líquido quente) – e como otimizar projetos usando os princípios de condução de calor, convecção ou radiação.

O gerenciamento térmico é vital para garantir a integridade estrutural e a segurança de qualquer projeto que exija calor ou frio moderado. Também pode ser usado para otimizar o desempenho e a eficiência de projetos que usam calor ou combustão para energia.

A maioria dos pacotes de software CAD profissional (como o SolidWorks) tem suporte nativo para simular modelos de transferência de calor.

A simulação CFD é usada para otimizar a transferência de calor em tudo, desde projetos de motores de automóveis até projetos de máquinas de café. Também é vital para uma infinidade de outros tipos de simulação mencionados nesta lista (como HVAC) - onde a transferência de calor é um componente integral da função principal de um produto.

8. Simulação de tubos e válvulas com CFD

O fluxo de fluido pode exercer imensa pressão em tubos e válvulas – e pode levar a deformações críticas e falhas se não for devidamente contabilizado.

Como tal, refinarias de petróleo, gasodutos de gás natural e encanamentos residenciais devem ser otimizados para o fluxo de fluido para obter segurança e evitar danos a longo prazo a equipamentos caros.

Antes do surgimento da simulação CFD, esse tipo de otimização exigia tentativa e erro. Os sistemas de tubulação foram construídos com estimativas de melhor suposição e foram refinados ou revisados ​​após a falha.

Com a simulação CFD, os engenheiros podem modelar o desempenho de um sistema inteiro de tubos ou isolar um único componente (como uma válvula) para diminuir a probabilidade de falha. A simulação CFD também pode ser usada para investigar a falha da infraestrutura antiga após o fato, dando aos engenheiros uma imagem mais precisa do que aconteceu.

9. Simulando resfriamento de eletrônicos com CFD

Todos os eletrônicos em uso hoje exigem algum tipo de gerenciamento de calor (seja dissipadores de calor, aberturas, ventiladores, componentes térmicos ou uma combinação). Isso ocorre porque chips como GPUs e CPUs começam a funcionar mal à medida que superaquecem. Esses componentes precisam ser mantidos relativamente frios para manter o desempenho (geralmente abaixo de 85°C).

Sem simulações ou testes extensivos, os fabricantes de eletrônicos frequentemente lançavam produtos no mercado (como telefones, brinquedos, chips de computador, etc.) que falhavam devido ao superaquecimento.

A simulação CFD pode ser usada para testar e organizar o posicionamento ideal dos componentes (dissipador de calor, ventoinha, etc.)

10. Simulação de CFD de turbomáquinas

Turbomáquinas é um conceito de engenharia mecânica que descreve máquinas que transmitem energia de um rotor para um fluido (como um compressor ou uma turbina).

Os motores a jato de aeronaves são um exemplo comum de turbomáquinas, pois são turbinas a gás que produzem empuxo a partir dos gases de escape.

O software CFD é usado extensivamente no projeto e otimização de turbomáquinas, desde o pré-processamento, modelagem, geração de malha, até o pós-processamento.

11. Simulação de CFD de material de alta reologia

Materiais de alta reologia são sólidos que podem se comportar como líquidos quando forças e tensões são aplicadas a eles. Exemplos de tais materiais incluem:

• Plásticos
• Polímeros
• Vidro
• Metais
• Cimento

Usando técnicas como moldagem por sopro, termoformagem e extrusão, os fabricantes podem moldar esses sólidos em um produto final.

Por meio da aplicação da simulação CFD, os fabricantes podem acelerar seus processos de projeto de materiais de reologia, minimizando as demandas de energia e matéria-prima. Eles podem identificar economias de custos alterando a forma das matrizes de fabricação, reduzindo o excesso de material e prototipando rapidamente projetos reológicos.

12. Simulando fluxos de reação e combustão com CFD

Fluidos em fluxo que são quimicamente reativos (no caso de um motor de combustão, por exemplo), são chamados de “fluxos de reação” na simulação.

Esses tipos de fluxos representam um problema de física difícil para engenheiros.

Prever o comportamento do fluido reagente em uma escala de bancada química (milímetros) é uma coisa – mas fazê-lo em um nível de solução (em litros cúbicos) levando em conta a turbulência é imensamente difícil.

E, no entanto, é um problema importante.

Ser capaz de entender a química e a física subjacentes dos fluxos de reação é fundamental para aumentar a eficiência energética, flexibilidade de combustível e emissões reduzidas nos setores automotivo, aeroespacial e de energia.

Esta é uma área onde a simulação CFD se destaca. Ele pode lidar com problemas complexos e multifísicos, como fluxos de reação – fornecendo aos fabricantes informações sobre seus produtos que seriam quase impossíveis de calcular manualmente – sem exigir testes físicos caros.

13. Fluxo incompressível e compressível com simulação CFD

(Fonte:SimScale)

Escoamento compressível refere-se a um escoamento de fluido onde a densidade não é constante.

Em outras palavras, um fluido como o oxigênio, cuja densidade pode ser comprimida ou descomprimida com mudanças de pressão – tem um fluxo compressível.

Escoamento incompressível refere-se a um fluido cujas mudanças de densidade são desprezíveis, independentemente da pressão.

A água que flui através de um tubo tem um fluxo incompressível, porque a pressão terá um impacto infinitesimal em sua densidade.

Ambos os tipos de fluxo apresentam desafios únicos para fabricantes e engenheiros. Engenheiros que trabalham em aerodinâmica, por exemplo, precisam levar em conta a compressibilidade do oxigênio (com objetos viajando em velocidades diferentes) em suas análises. Por outro lado, as indústrias que trabalham com fluidos incompressíveis devem levar em conta os fluxos turbulentos violentos, poderosos e caóticos em seus cálculos.

E no caso do setor aeroespacial – onde ambos os tipos de cálculos podem precisar ser combinados em uma única análise – testes e planejamento podem se tornar incrivelmente complexos.

É por isso que a simulação CFD é uma necessidade absoluta para muitos fabricantes modernos. Softwares como o SimScale permitem que os engenheiros analisem fluxos incompressíveis e compressíveis em uma simulação, atribuindo propriedades exclusivas a diferentes fluidos.

Pensamentos finais

Antes do advento da simulação, muitos dos problemas práticos de física do mundo eram resolvidos com testes físicos caros (e demorados). As empresas cujos produtos dispensaram testes rigorosos pagaram consideravelmente mais com falhas e recalls de produtos (e danos à reputação) a longo prazo.

Mas com o advento da modelagem de simulação, engenheiros e designers de todos os setores ganharam acesso a uma maneira barata de testar seus produtos em praticamente todas as condições.

A dinâmica de fluidos computacional, em particular, permite que os engenheiros testem e melhorem projetos de produtos em que fluxo de fluido, turbulência e transferência de calor são cálculos vitais.

Mas o teste é apenas uma parte da equação.

Ser capaz de atualizar projetos CAD de forma rápida e eficiente para corrigir problemas que foram sinalizados pela análise CFD ainda é um problema para os projetistas, pois geralmente requer muito retrabalho manual.

Para permitir a adoção em larga escala da simulação em todos os setores, os aplicativos de simulação precisam se tornar mais fáceis de usar.

Se você é um designer ou engenheiro que trabalha com CAD e simulação, está intimamente familiarizado com a quantidade de trabalho necessária para reprojetar produtos com base nas saídas de simulação. A maioria dos softwares CFD não atualizará seu modelo CAD. Em vez disso, eles fornecem um “campo vetorial” para mostrar a deformação necessária para otimizar seu modelo. É então responsabilidade do designer alterar manualmente o design.

Este processo de redesenho manual pode ser automatizado usando o conjunto de ferramentas de transformação BRep da Spatial. Dado um campo de deformação vetorial (um conjunto de pontos antes e depois), este conjunto de ferramentas permite que você transforme qualquer geometria BRep automaticamente. Assim, os engenheiros podem acomodar os resultados da simulação de volta ao seu projeto, facilmente.