Dominando Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD): Aplicações e Impacto em Diversas Indústrias

A dinâmica de fluidos computacional (frequentemente abreviada CFD) é usada em várias indústrias e aplicações.

Desde projetar maneiras eficientes de manter um SoC (System on a Chip) frio o suficiente para funcionar corretamente até ajudar carros de corrida a reduzir alguns segundos de seu tempo, a dinâmica de fluidos computacional permanece uma ferramenta poderosa para simulação e otimização.

 

Figura 1. CFD é frequentemente associada a design aeroespacial e automotivo, mas se aplica a várias indústrias, incluindo motores elétricos, robótica, baterias e gerenciamento térmico. Imagem usada com cortesia da Siemens

 

O Que é Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD)?

CFD é uma ferramenta de simulação e modelagem numérica baseada nos princípios da dinâmica de fluidos. Ela utiliza métodos numéricos e algoritmos para resolver problemas envolvendo o fluxo de fluidos.

Como parte desta explicação, é importante considerar que fluidos não se limitam a líquidos. Fluidos também incluem gases como ar. CFD pode simular fluxo de fluido, reações químicas, mudanças de fase, transferência de calor e massa, e líquidos, gases e sólidos enquanto fluem através de um sistema.

 

Como a Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) Funciona: O Básico

As equações governantes primárias envolvidas são a equação de continuidade (conservação de massa), a Segunda Lei de Newton (conservação de momento) e a Primeira Lei da Termodinâmica (conservação de energia). As variáveis-chave são velocidade, pressão e temperatura absoluta, junto com densidade, condutividade térmica, entalpia e viscosidade.

 

Figura 2. Simulação de fluxo ilustra o fluxo de partículas de fluido através de um sistema enquanto interagem com sólidos, outros líquidos e calor. Imagem usada com cortesia da Autodesk

 

A simulação CFD visa compreender a velocidade, pressão e temperatura em cada ponto dentro do regime de fluxo.

 

Resultados da Modelagem CFD

Os resultados da modelagem CFD podem ser pós-processados para fornecer visualizações informativas que podem incluir linhas de corrente representando a velocidade (velocidade e direção) do fluxo de fluido, mapas mostrando distribuições de temperatura e rastreamento de partículas que mostra o movimento de uma única partícula de fluido (para citar alguns).

Com o contínuo aumento no poder computacional e capacidades gráficas, as visualizações podem ser manipuladas em 3D e gerar imagens, vídeos e animações atraentes para ajudar os usuários a interpretar os dados e compartilhá-los com públicos não técnicos.

 

Qual é o Modelo de Dinâmica de Fluidos Computacional Mais Amplamente Utilizado?

O modelo mais amplamente utilizado em CFD é o FVM, que significa Modelo de Volume Finito. Estritamente falando, é um método de discretização onde o volume do fluido é dividido em volumes de controle finitos. Esses volumes de controle individuais são centrados em torno de um nó localizado no centróide do volume.

A forma diferencial das equações governantes do modelo é integrada, e a variável de interesse entre os centróides é obtida usando perfis de interpolação. A equação resultante, conhecida como equação de discretização ou discretizada, então expressa o princípio de conservação para a variável dentro do volume de controle.

O FVM é bastante popular devido à sua versatilidade e porque a solução satisfará a conservação de quantidades como energia, espécies, momento ou massa. A conservação é exatamente satisfeita tanto para volumes de controle individuais quanto para todo o domínio computacional.

 

Figura 3. CFD encontra ampla aplicação no gerenciamento térmico de eletrônicos, como neste exemplo de um chassi modular usado para aplicações críticas. Imagem usada com cortesia da ANSYS

 

Outros métodos que também podem ser usados com CFD incluem o Método de Elementos Finitos (FEM), tipicamente associado à mecânica dos sólidos, e Análise de Elementos Finitos (FEA).

Há também o FDM ou Método de Diferenças Finitas; este método particular não é tão amplamente usado para CFD quanto FVM e FEM, mas encontra ampla aplicação em cálculos meteorológicos, sismologia e efeitos especiais para filmes e televisão.

 

Para Que Serve a Dinâmica de Fluidos Computacional?

Em um sentido geral, a CFD otimiza, analisa e verifica designs envolvendo fluxo de fluido antes que protótipos caros sejam fabricados. Testes físicos custosos são realizados nesses protótipos.

 

Geralmente, a CFD pode ser usada para:

• Simulação de baterias
• Resfriamento de motores elétricos
• Reologia
• Eficiência energética
• Gerenciamento térmico
• Interação fluido-estrutura
• Otimização de forma
• Modelagem de turbulência
• HVAC
• Otimização de pás de turbina
• Design de aeronaves/aeroespacial
• Design automotivo

 

Mais especificamente, a CFD está sendo usada para:

• Otimização de gerenciamento térmico eficaz para SoCs
• Desenvolvimento de locomoção para robôs subaquáticos bio-inspirados
• Design de manipuladores de robôs macios
• Engenharia de motores elétricos refrigerados a água
• Estudo de incrustação de petróleo bruto em superfícies de transferência de calor
• Gerenciamento térmico de um chassi modular robusto para eletrônicos de comunicação militares
• Otimização de desempenho de carros de corrida

Além disso, a CFD pode ser usada com FEA para capturar interações complexas entre fluidos, termodinâmica, calor, eletricidade, magnetismo e análise estrutural.

 

Figura 4. CFD pode otimizar a eficiência energética de data centers, fornecendo informações sobre características-chave como o fluxo de ar de resfriamento necessário para manter temperaturas sob controle. Imagem usada com cortesia da Autodesk

 

Software de Dinâmica de Fluidos Computacional

Existe uma grande variedade de pacotes de software CFD no mercado. Por exemplo, ANSYS Fluent e CFX são dois pacotes de software CFD bem conhecidos. Há também PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm e Autodesk CFD.

No entanto, nem todos os pacotes CFD são comerciais: OpenFOAM é um pacote CFD gratuito, de código aberto, que roda em Linux, macOS e Windows 10. Além disso, existem sistemas CFD baseados em navegador como SimScale, que por acaso é baseado no OpenFOAM. Também existem poderosas ferramentas de pós-processamento como Ceetron Desktop Components que dão vida aos dados de solução CFD.

Quando executado corretamente, pode revelar o comportamento de fluidos e como eles interagem com sólidos, calor, mudanças de fase e reações químicas. CFD é usado em muitas indústrias diferentes, auxiliando na otimização de designs e economia de tempo e dinheiro para prototipagem e testes físicos. De bicos de combustível em motores a jato e corpos de carros de corrida a robótica macia e sistemas de resfriamento de ar de data centers, CFD provou ser inestimável vezes sem conta durante o processo de engenharia.