13 Aplicações Essenciais de CFD: Elevando Desempenho em Aeroespacial, HVAC e Eletrônica

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.

Esta tecnologia é usada em áreas como prevenção de cavitação, engenharia aeroespacial, engenharia HVAC, manufatura eletrônica e muito mais.

Abaixo está uma lista das aplicações de simulação CFD mais comuns em uso hoje.

1. Simulação CFD para Prevenção de Cavitação

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. Cavitação pode causar danos a hélices, bicos, turbinas, vertedouros e válvulas.

Cavitação é um problema crítico de dinâmica de fluidos que impacta uma ampla gama de domínios de engenharia.

Qual é o maior problema?

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

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

Simulação de cavitação através de CFD, no entanto, pode ajudar 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 flexibilidade, durabilidade e segurança de seus projetos.

2. Simulando Maquinaria Rotativa usando CFD

Maquinaria rotativa como compressores, bombas a vapor, turbinas a gás e turboexpansores têm uma coisa em comum: a carga cíclica atuando na estrutura.

Vedações labirinto são usadas em vários tipos de maquinaria rotativa para reduzir vazamento de fluxo. O gás passando pelas vedações frequentemente cria uma força motriz que leva a vibração instável do rotor.

O que é essencial aqui é ser capaz de determinar a força dinâmica do rotor que cria instabilidade.

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

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 meteorológicos mais desastrosos e imprevisíveis enfrentados por pilotos. Na verdade, turbulência extrema pode tornar impossível para pilotos de linha aérea controlarem seus aviões, e pode até causar ferimentos graves aos passageiros.

Simulações CFD usam modelos de turbulência para prever o efeito da turbulência em um design projetado por CAD.

Um dos modelos mais comuns para simular turbulência é Generalized k-omega (GEKO) no ANSYS. GEKO ajuda a adaptar modelos de turbulência a uma ampla variedade de aplicações permitindo que usuários ajustem parâmetros individuais da simulação enquanto mantêm a calibração do modelo.

4. Aplicações de Simulação CFD para Aquecimento, Ar Condicionado e Ventilação (HVAC)

Apesar de ser um acessório negligenciado de nossas vidas diárias, sistemas HVAC que bombeiam e condicionam ar em nossas casas e escritórios requerem engenharia e planejamento intensivos.

Para condicionar o ar de um espaço efetivamente, manter o ar fluindo através de uma sala e garantir alta qualidade do ar interior (IAQ), produtos HVAC têm que aproveitar a física da dinâmica de fluidos.

Criar difusores HVAC, unidades de tratamento de ar e FTUs tipicamente requer testes rigorosos para garantir que possam circular e condicionar ar efetivamente, e atender padrões IAQ.

Como tal, muitos fabricantes de equipamentos HVAC recorreram à simulação CFD para acelerar prototipagem e validação de novos designs. Simulação CFD permite que engenheiros analisem o desempenho potencial de seus produtos em diferentes espaços e em diferentes configurações.

5. Simulação de Bateria com CFD

À primeira vista, o processo de design de bateria parece ter pouco em comum com os gostos de design aeroespacial e HVAC — onde fluxo de ar desempenha um papel vital (e óbvio) na função central de um produto.

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

Software CFD como Simulia pode ajudar fabricantes de bateria a visualizar com 3D e resolver problemas associados com descarga rápida, aquecimento ambiente excessivo e sobrecarga — que não apenas impactam a vida da bateria, mas também a segurança do consumidor.

6. Simulando Aerodinâmica com CFD

Aerodinâmica é o estudo de como o ar flui ao redor de objetos (como aeronaves ou automóveis).

É talvez a aplicação mais conhecida de CFD — como designers de automóveis, engenheiros aeroespaciais e fabricantes de equipamentos esportivos todos fazem uso de software de simulação para reduzir o arrasto e atrito do ar enquanto melhoram a eficiência de seus produtos.

Além de poder projetar produtos aerodinâmicos sem investir em muitos protótipos físicos, a simulação torna possível para engenheiros testar mudanças muito pequenas em seu design para maximizar desempenho — dezenas ou centenas de vezes antes de irem para produção.

7. Simulação de Transferência de Calor e Gerenciamento Térmico em CFD

Transferência de calor e gerenciamento térmico é a disciplina de medir como o calor se move através de designs sólido-fluido (ex: tubos que transferem líquido quente) — e como otimizar designs usando os princípios de condução, convecção ou radiação de calor.

Gerenciamento térmico é vital para garantir a integridade estrutural e segurança de quaisquer designs que requeiram calor moderado ou frio. Também pode ser usado para otimizar o desempenho e eficiência de designs que usam calor ou combustão para energia.

A maioria dos pacotes de software CAD profissionais (como SolidWorks) têm suporte nativo para simular modelos de transferência de calor.

Simulação CFD é usada para otimizar transferência de calor em tudo, desde designs de motores de automóveis a designs de máquinas de café. Também é vital para uma miríade de outros tipos de simulação mencionados nesta lista (como HVAC) — onde transferência de calor é um componente integral da função central de um produto.

8. Simulação de Tubos e Válvulas com CFD

Fluxo de fluido pode exercer pressão imensa em tubos e válvulas — e pode levar a deformação e falha crítica se não for devidamente contabilizado.

Como tal, refinarias de petróleo, gasodutos de gás natural e encanamento residencial devem todos ser otimizados para fluxo de fluido para alcançar segurança e prevenir danos a longo prazo a equipamentos caros.

Antes do surgimento da simulação CFD, este tipo de otimização requeria tentativa e erro. Sistemas de tubulação eram construídos com estimativas de melhor palpite, e eram refinados ou revisados após falha.

Com simulação CFD, 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. Simulação CFD também pode ser usada para investigar falha de infraestrutura envelhecida 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 requerem alguma forma de gerenciamento de calor (seja dissipadores de calor, aberturas, ventiladores, componentes térmicos, ou uma combinação). Isso porque chips como GPUs e CPUs começam a funcionar mal quando superaquecem. Estes componentes precisam ser mantidos relativamente frios para manter desempenho (geralmente abaixo de 85°C).

Sem simulação ou testes extensivos, fabricantes de eletrônicos frequentemente lançariam produtos no mercado (como telefones, brinquedos, chips de computador, etc.) que falhavam devido a superaquecimento.

Simulação CFD pode ser usada para testar e organizar a colocação mais ideal de componentes (dissipador, ventilador, etc.) para garantir que chips sensíveis não superaqueçam.

10. Simulação CFD de Turbomaquinaria

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

Motores a jato de aeronaves são um exemplo comum de turbomaquinaria, pois são turbinas a gás que produzem empuxo a partir de gases de escape.

Software CFD é usado extensivamente no design e otimização de turbomaquinaria, desde pré-processamento, modelagem, malha, até pós-processamento.

11. Simulação 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, termoformação e extrusão — fabricantes podem moldar estes sólidos em um produto final.

Através da aplicação de simulação CFD, fabricantes podem acelerar seus processos de design de material reológico enquanto minimizam demandas de energia e matéria-prima. Eles podem identificar economias de custo mudando a forma de matrizes de manufatura, reduzindo material excedente e prototipando rapidamente designs reológicos.

12. Simulando Fluxos Reativos e Combustão com CFD

Fluidos fluindo que são quimicamente reativos (no caso de um motor de combustão, por exemplo), são referidos como "fluxos reativos" em simulação.

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

Prever o comportamento de fluido reativo em uma escala de bancada de química (milímetros) é uma coisa — mas fazê-lo em um nível de solução (em litros cúbicos) enquanto leva turbulência em conta é imensamente difícil.

E ainda, é um problema importante.

Ser capaz de entender a química e física subjacentes de fluxos reativos é fundamental para aumentar eficiência energética, flexibilidade de combustível e redução de emissões nos setores automotivo, aeroespacial e energético.

Esta é uma área onde simulação CFD se destaca. Ela pode lidar com problemas complexos de multi-física como fluxos reativos — dando aos fabricantes insights 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)

Fluxo compressível refere-se a um fluxo de fluido onde a densidade não é constante.

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

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

Água fluindo 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 trabalhando em aerodinâmica, por exemplo, têm que levar em conta a compressibilidade do oxigênio (com objetos viajando em diferentes velocidades) em sua análise. Inversamente, indústrias que trabalham com fluidos incompressíveis devem levar em conta fluxos turbulentos violentos, poderosos e caóticos em seus cálculos.

E no caso de 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 simulação CFD é uma necessidade absoluta para muitos fabricantes modernos. Software como SimScale permite que engenheiros analisem fluxos incompressíveis e compressíveis em uma simulação atribuindo propriedades únicas a diferentes fluidos.

Considerações Finais

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

Mas com o advento da modelagem de simulação, engenheiros e designers em todas as indústrias ganharam acesso a uma maneira barata de testar seus produtos em virtualmente quaisquer condições.

Dinâmica de fluidos computacional em particular permite que engenheiros testem e melhorem designs de produtos onde fluxo de fluido, turbulência e transferência de calor são cálculos vitais.

Mas testes são apenas parte da equação.

Ser capaz de atualizar designs CAD rapidamente e eficientemente para corrigir problemas sinalizados por análise CFD ainda é um problema para designers — pois frequentemente requer muito retrabalho manual.

Para permitir adoção em larga escala de simulação através de indústrias, aplicações de simulação precisam se tornar mais fáceis de usar.

Se você é um designer ou engenheiro trabalhando com CAD e simulação, você está intimamente familiarizado com a quantidade de trabalho necessária para redesenhar produtos baseados em saídas de simulação. A maioria dos softwares CFD não atualizará seu modelo CAD. Em vez disso, eles lhe dão um "campo vetorial" para mostrar a deformação necessária para otimizar seu modelo. É então responsabilidade do designer alterar manualmente o design.

Este processo de redesign manual pode ser automatizado usando o toolset de morfologia BRep da Spatial. Dado um campo de deformação vetorial (um conjunto de pontos antes e depois), este toolset permite que você morfe qualquer geometria BRep automaticamente. Assim, engenheiros podem acomodar resultados de simulação de volta em seu design, facilmente.