Compreendendo a dinâmica dos fluidos computacionais (CFD)

A dinâmica de fluidos computacional (freqüentemente abreviada como CFD) é usada em vários setores e aplicações.

De maneiras eficientes de engenharia para manter um SoC (System on a Chip) frio o suficiente para funcionar corretamente para ajudar carros de corrida a economizar mais alguns segundos em seu tempo, a dinâmica de fluidos computacional continua sendo uma ferramenta poderosa para simulação e otimização.

Figura 1. O CFD é frequentemente associado ao design aeroespacial e automotivo, mas se aplica a vários setores, incluindo motores elétricos, robótica, baterias e gerenciamento térmico. Imagem usada cortesia da Siemens

O que é Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD)?

CFD é uma simulação numérica e ferramenta de modelagem baseada em princípios de dinâmica de fluidos. Ele aproveita métodos numéricos e algoritmos para resolver problemas que envolvem o fluxo de fluidos.

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

Como funciona a dinâmica dos fluidos computacionais (CFD):o básico

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

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

A simulação CFD visa compreender a velocidade, pressão e temperatura em cada ponto 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 fluxo que representam a velocidade (velocidade e direção) do fluxo de fluido, mapas mostrando distribuições de temperatura e rastreamento de partícula que mostra o movimento de uma única partícula de fluido (para citar alguns )

Com o aumento contínuo da capacidade de computação e recursos gráficos, 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 usado?

O modelo mais usado em CFD é FVM, que significa Modelo de Volume Finito. A rigor, é um método de discretização onde o volume do fluido é dividido em volumes de controle finitos. Esses volumes de controle individuais são centralizados em torno de um nó localizado no centroide 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 discretização ou equação 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 irá satisfazer a conservação de quantidades como energia, espécie, quantidade de movimento ou massa. A conservação é exatamente satisfeita tanto para os volumes de controle individuais quanto para todo o domínio computacional.

Figura 3. CFD encontra ampla aplicação em gerenciamento térmico de eletrônicos, como neste exemplo de um chassi modular usado para aplicações de missão crítica. Imagem usada cortesia de ANSYS

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

Também existe o FDM ou Método Finito-Diferente; 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 é usada a Dinâmica de Fluidos Computacional?

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



Geralmente, CFD pode ser usado para:

• Simulação de bateria
• Resfriamento do motor elétrico
• Reologia
• Eficiência energética
• Gerenciamento térmico
• Interação fluido-estrutura
• Otimização de formas
• Modelagem de turbulência
• HVAC
• Otimização da lâmina da turbina
• Projeto de aeronave / aeroespacial
• Design automotivo

Mais especificamente, o CFD está sendo usado para:

• Otimização de gerenciamento térmico eficaz para SoCs
• Desenvolva locomoção para robôs subaquáticos bioinspirados
• Projeto de manipuladores de robôs soft
• Engenharia de motores elétricos refrigerados a água
• Estudo de superfícies de transferência de calor de incrustação de óleo cru
• Gerenciamento térmico de um chassi modular robusto para eletrônica de comunicação militar
• Otimização de desempenho de carros de corrida

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

Figura 4. O CFD pode otimizar a eficiência energética do data center, fornecendo informações sobre as principais características, como o fluxo de ar de resfriamento necessário para manter as temperaturas sob controle. Imagem usada 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:o OpenFOAM é um pacote CFD de código aberto gratuito que roda em Linux, macOS e Windows 10. Além disso, existem sistemas CFD baseados em navegador, como o SimScale, que por acaso é baseado em OpenFOAM. Existem também poderosas ferramentas de pós-processamento, como Ceetron Desktop Components, que dão vida aos dados da solução CFD.

Quando executado corretamente, pode revelar o comportamento dos fluidos e como eles interagem com os sólidos, calor, mudanças de fase e reações químicas. CFD é usado em muitos setores diferentes, auxiliando na otimização de projetos e economizando tempo e dinheiro para prototipagem e testes físicos. De bicos de combustível em motores a jato e carrocerias de carros de corrida até robótica suave e sistemas de refrigeração de ar de data center, o CFD provou ser inestimável repetidas vezes durante o processo de engenharia.