curso cfd

Fluidodinâmica Fluidodinâmica AplicadaAplicada aaProcessos QuímicosProcessos Químicos

Carlos Eduardo Carlos Eduardo FontesFontesClaudioClaudio Patrício Ribeiro Patrício Ribeiro Jr.Jr.Luiz Fernando L. R. SilvaLuiz Fernando L. R. Silva

Ricardo C. RodriguesRicardo C. Rodrigues

Programa de Engenharia QuímicaPrograma de Engenharia QuímicaCOPPE/UFRJCOPPE/UFRJ

Novembro - 2004

LTFDLTFDPEQ/COPPE/UFRJPEQ/COPPE/UFRJ

EstruturaEstrutura

�� O que é CFD?O que é CFD?�� Porque usar CFD?Porque usar CFD?�� Onde CFD é usada?Onde CFD é usada?�� Visão Geral Visão Geral de CFDde CFD

– Descrição da Geometria– Especificação das Condições de Escoamento– Seleção dos Modelos– Discretização e Geração de Malha– Especificação dos Parâmetros Numéricos– Solução do Escoamento– Pós-Processamento: Análise e Visualização

�� Software e Software e RecursosRecursos

Computational Fluid Dynamics


O que é CFD?O que é CFD?�� O que é CFD e qual seu objetivo?O que é CFD e qual seu objetivo?

– Baseada na teoria de FENÔMENOS DE TRANSPORTE.FENÔMENOS DE TRANSPORTE.

– Simulação computacional para predição dos fenômenos de escoamento.� Física do problema (Existe Tranf. Calor, Reação Química?).� Modelos adequados ao problema (Eq. da Energia, Eq. de

Transf. Massa, Eq. Termodinâmico).� Métodos Numéricos.� Visualização da Solução.

ExemploExemplo de de ProjetoProjeto

– O objetivo de CFD é modelar fluidos contínuos com Equações Diferenciais Parciais (PDEs), discretizar as PDEs transformando-as em um sistema algébrico, resolvendo-o, validando eencontrando uma simulação baseada na geometria.


O que é CFD?O que é CFD?

ConduçãoCondução

�� TTransmiransmissssããoo de de energia energia partpartíícula cula para partpara partíículacula atravatravééss de de coliscolisõõeses

�� NNããoo hháá transporte das parttransporte das partíículasculas ––somente transmisssomente transmissãão de o de propriedadepropriedade

ConvecçãoConvecção

�� PropriedadePropriedade propagada mediante propagada mediante o transporte de mato transporte de matéériaria((deslocamento de partdeslocamento de partíículasculas))

�� CConveconvecçãçãoo ssóó se processa em se processa em meios fluidosmeios fluidos ((llííquidos e gasesquidos e gases))

FENÔMENOS DE TRANSPORTEFENÔMENOS DE TRANSPORTE

Fenômenos SimultâneosFenômenos Simultâneos((MomentoMomento, , MassaMassa e e CalorCalor))

Equações Diferencias Parciais (EDP)


O que é CFD?O que é CFD?FENÔMENOS DE TRANSPORTEFENÔMENOS DE TRANSPORTE

TransferênciaTransferência de de CalorCalor

ϕ(t)x

zy

( ) ( ) ( )0=

∂∂+

∂∂

+∂

∂+∂∂

zv

y

v

xv

tzyx ρρρρ

EqEq. . da Continuidadeda Continuidade

vzyx

zyxv zq

y

q

xq

zT

vyT

vxT

vtT

C Φ+��

��

�

∂∂+

∂∂

+∂∂−=��

�

�

�

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂ˆρ

xxxxz

zy

yx

xx g

zv

yv

xv

xp

zv

vy

vv

xv

vt

v ρµρ +��

��

�

∂∂+

∂∂+

∂∂+

∂∂−=��

�

�

�

∂∂+

∂∂

+∂∂+

∂∂

2

2

2

2

2

2TransferênciaTransferência de de Momento Momento ((direçãodireção x)x)

Rz

Ny

N

xN

tc zyx =��

�

�

�

∂∂+

∂∂

+∂

∂+∂∂TransferênciaTransferência de de MassaMassa


Porque usar CFD?Porque usar CFD?Fenômenos de TransporteFenômenos de Transporte

Fluidodinâmica Fluidodinâmica TeóricaTeórica(AFD)(AFD)

–hipóteses simples–solução analítica

Fluidodinâmica Fluidodinâmica ExperimentalExperimental

(EFD)(EFD)

– túnel de vento– tanque de ondas– experimentos em campo aberto

Fluidodinâmica Computacional

(CFD)

–algoritmos numéricos–computação–visualização gráfica e animações

LTFDLTFDPEQ/COPPE/UFRJPEQ/COPPE/UFRJ FluidodinâmicaFluidodinâmica

Experimental (EFD)Experimental (EFD)

Escoamento sobre Escoamento sobre um um banco banco de de tubostubos Escoamento sobre carro em túnel Escoamento sobre carro em túnel de de águaágua

Rastro deixado pelo escoamentoRastro deixado pelo escoamentosobre asa sobre asa de um de um jatojato

Miniatura Miniatura de de jato para jato para teste em túnel teste em túnel de de ventovento

Escoamento turbulento Escoamento turbulento sobre esferasobre esfera

Equipamento Equipamento a laser a laser parapara aferiçãoaferição

LTFDLTFDPEQ/COPPE/UFRJPEQ/COPPE/UFRJ FluidodinâmicaFluidodinâmica

Experimental (EFD)Experimental (EFD)

Escoamento sobre Escoamento sobre Escoamento sobre um um um banco banco banco de de de tubostubostubos Escoamento sobre carro em túnel Escoamento sobre carro em túnel Escoamento sobre carro em túnel de de de águaáguaágua

Rastro deixado pelo escoamentoRastro deixado pelo escoamentoRastro deixado pelo escoamentosobre asa sobre asa sobre asa de um de um de um jatojatojato

Miniatura Miniatura Miniatura de de de jato para jato para jato para teste em túnel teste em túnel teste em túnel de de de ventoventovento

Escoamento turbulento Escoamento turbulento Escoamento turbulento sobre esferasobre esferasobre esfera

Equipamento Equipamento Equipamento a laser a laser a laser paraparapara aferiçãoaferiçãoaferição

Agitação Agitação com com fluido não newtonianofluido não newtoniano


Porque usar CFD?Porque usar CFD?�� Simulação baseada na geometria virtual ao invés Simulação baseada na geometria virtual ao invés

de “construção & teste”de “construção & teste”– Menor custo e redução significante no tempo de

obtenção de resultados– Resultados em CFD possuem alta fidelidade com banco

de dados de campo de escoamento por EFD

�� Simulação dos fenômenos de escoamento que Simulação dos fenômenos de escoamento que possuem aferição experimental complicadapossuem aferição experimental complicada– Simulações de escala (navios e aviões em grande

escala)– Situação de risco (explosões, radiação, poluição)– Situação física (previsão do tempo, camada limite

planetária, evolução estelar)


Porque usar CFD?Porque usar CFD?�� Conhecimento e exploração da física do Conhecimento e exploração da física do

escoamentoescoamento

Vantagens de CFDVantagens de CFD– CFD complementa EFD e AFD– Simulação real de escoamento com baixo custo– Fornece informações mais detalhadas– CFD tem maior efetividade e menor custo que testes em túnel de vento

Limitações de CFDLimitações de CFD– Modelos físicos (CC e CI, não newtoniano, turbulência, etc.)– Modelos Geométricos (detalhamento, robustez)– Detalhes Numéricos (convergência, estabilidade, resolução numérica)


Onde Onde CFD CFD é é ususaaddaa??

�� AeroespacialAeroespacial�� SegurançaSegurança�� AutomotivoAutomotivo�� BiomédicoBiomédico�� Processos QuímicosProcessos Químicos�� HidráulicaHidráulica�� NavalNaval�� Óleo & GásÓleo & Gás�� Geração de EnergiaGeração de Energia�� EsportesEsportes

LinhasLinhas dede corrente para corrente para ventilação em uma ventilação em uma

câmaracâmara

Perfil Perfil de de velocidade velocidade no no casco casco de de navionavio

Esc. de óleo lubrificantesobre uma broca


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� AeroespacialAeroespacial

Propulsores de fogueteCombustão

Ariane 5Perfil de velocidade


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� SegurançaSegurança

Acidente de aviãoZona de pressão

Teste Teste de de colisãocolisão

Deformação Deformação de de ponteponte

Cálculo Aerodinâmico na ponte Rio-Niterói


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� AutomotivoAutomotivo

Linhas Linhas de de corrente corrente Moto Moto de de corridacorrida


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� BiomédicoBiomédico

Temperatura Temperatura e e convecconvecçãção o natural natural em aquecimento em aquecimento

por por laser no laser no olhoolho..

Tensão cisalhante pelo Tensão cisalhante pelo fluxo sanguíneo na fluxo sanguíneo na aortaaorta


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� Processos Processos QQuímicosuímicos

– Misturadores– Trocadores de calor– Separadores– Polimerização– Escoamento em planta

e equipamentos– Processos Multifásicos

Torre Torre SpraySpray


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� Processos QuímicosProcessos Químicos

– Misturadores––– Trocadores Trocadores Trocadores de de de calorcalorcalor––– SeparadoresSeparadoresSeparadores––– PolimerizaçãoPolimerizaçãoPolimerização––– Escoamento em planta Escoamento em planta Escoamento em planta

e e e equipamentosequipamentosequipamentos––– Processos MultifásicosProcessos MultifásicosProcessos Multifásicos

Perfil velocidade Perfil velocidade no no impelidorimpelidor

Trajetória de Trajetória de partícula em partícula em misturadormisturador



––– MisturadoresMisturadoresMisturadores– Trocadores de calor––– SeparadoresSeparadoresSeparadores––– PolimerizaçãoPolimerizaçãoPolimerização––– Escoamento em planta Escoamento em planta Escoamento em planta


Trocador Trocador CascoCasco--tubotuboPerfil Perfil de de velocidadevelocidade

TAC TAC –– PerfilPerfil de de velocidadevelocidade

Tanque Tanque de de ResfriamentoResfriamentoContorno Contorno de de temperaturatemperatura



––– MisturadoresMisturadoresMisturadores––– Trocadores Trocadores Trocadores de de de calorcalorcalor– Separadores––– PolimerizaçãoPolimerizaçãoPolimerização––– Escoamento em planta Escoamento em planta Escoamento em planta


CiclonesCiclones

3D 2D

Leito vibratórioLeito vibratório

à vácuo com entradade ar

Separação Separação de de partículas usando ciclonespartículas usando ciclones

Fração de gás em um separador



––– MisturadoresMisturadoresMisturadores––– Trocadores Trocadores Trocadores de de de calorcalorcalor––– SeparadoresSeparadoresSeparadores– Polimerização––– Escoamento em planta Escoamento em planta Escoamento em planta


Injeção emInjeção em moldemolde

PolimerizaPolimerizaçãção em reatoro em reator



––– MisturadoresMisturadoresMisturadores––– Trocadores Trocadores Trocadores de de de calorcalorcalor––– SeparadoresSeparadoresSeparadores––– PolimerizaçãoPolimerizaçãoPolimerização– Escoamento em planta

e equipamentos––– Processos MultifásicosProcessos MultifásicosProcessos Multifásicos

EscoamentoEscoamentona válvulana válvula

EscoamentoEscoamento sobresobretorrestorres de de refrigeraçãorefrigeração

Escoamento dentro de uma

bomba



––– MisturadoresMisturadoresMisturadores––– Trocadores Trocadores Trocadores de de de calorcalorcalor––– SeparadoresSeparadoresSeparadores––– PolimerizaçãoPolimerizaçãoPolimerização––– Escoamento em planta Escoamento em planta Escoamento em planta

e e e equipamentosequipamentosequipamentos–– Processos MultifásicosProcessos Multifásicos

Ascensão de bolhas

4 mm 6 mm 9 mm

Pluma em uma coluna de água

5 mm 20 mm


Onde Onde CFD é CFD é usadausada??�� EsportesEsportes

Escoamento Escoamento sobre sobre a a mãomão

Perfil Perfil de de velocidade velocidade sobre sobre a bolaa bola


Visão Geral de CFDVisão Geral de CFD

�� Descrição da GeometriaDescrição da Geometria�� Especificação das Condições de Escoamento Especificação das Condições de Escoamento

(propriedades físicas, (propriedades físicas, condcond. contorno e inicial). contorno e inicial)�� Seleção dos ModelosSeleção dos Modelos�� DiscretizaçãoDiscretização e Geração de Malhae Geração de Malha�� Especificação dos Parâmetros NuméricosEspecificação dos Parâmetros Numéricos�� Solução do EscoamentoSolução do Escoamento�� PósPós--Processamento: Análise e Processamento: Análise e VVisualizaçãoisualização



�� Simplificações e hipótesesSimplificações e hipóteses�� Integração com ferramentas Integração com ferramentas

CAD: uso de programas CAD: uso de programas padrões comopadrões como AutoCAD, AutoCAD, ParasolidParasolid, ACIS, STEP ou , ACIS, STEP ou IGESIGES

�� Desenhos de EngenhariaDesenhos de Engenharia�� Coordenadas em sistema Coordenadas em sistema

Cartesiano (x,y,z), cilíndrico Cartesiano (x,y,z), cilíndrico (r, (r, ��, z) e esférico (r, , z) e esférico (r, ��, , ��))

Descrição da GeometriaDescrição da Geometria


Visão Geral de CFDVisão Geral de CFDCondições Condições de de EscoamentoEscoamentoe e Seleção Seleção de de ModelosModelos

�� Cada modelo Cada modelo tenten seus parâmetros específicosseus parâmetros específicos– Escoamento transiente ou estacionário?– Escoamento laminar ou turbulento? Fluido newtoniano?

� Diversos modelos para turbulência e fluido não newtoniano

– Sistema Isotérmico? Tem radiação? Afeta as reações?� Eq. de balanço de energia

– Escoamento Multifásico? cavitação, ebulição, particulados� Modelos para esc. homogêneo e dois-fluidos

– Tem reação química? É multicomponente?� Termo de reação na eq. de TM. Efeitos multicomponente

�� Seleção dos modelos e parâmetros requer experiênciaSeleção dos modelos e parâmetros requer experiência


Número finito de valores

nodais discretos

DiscretizaçãoDiscretização –– Métodos Numéricos Métodos Numéricos Condição Auxiliares (inicial/contorno)Condição Auxiliares (inicial/contorno)

Equações Equações Diferenciais Diferenciais

ParciaisParciais

Discretização

Diferenças Finitas Diferenças Finitas Volumes Finitos Volumes Finitos

Elementos Finitos Elementos Finitos EspectraisEspectrais

Sistema de Sistema de Equações Equações AlgébricasAlgébricas

Solução Solução NuméricaNumérica

Solver Matricial

Função contínua em

todos os pontos


Geração de Malha!


Visão Geral de CFDVisão Geral de CFDGeração Geração de de MalhaMalha

EqEq. . Fenômenos Fenômenos de de TransporteTransporte

o x

o xi i+1i-1

j+1j

j-1

imax

jmaxx∆

y∆

Função contínua em todos os pontos!!

Função discretizada e é válidas em todos os nós!!

Forma um sistema de equações algébricas

bxA =⋅

Métodos Numéricos


�� Malha pode ser estruturada (Malha pode ser estruturada (hexaédricahexaédrica) ) ou nãoou não--estruturada (tetraédrica). Depende estruturada (tetraédrica). Depende do método de do método de discretizaçãodiscretização e aplicaçãoe aplicação




Malha adaptativa


�� Partindo Partindo de de uma uma estimativa inicialestimativa inicial de de xx, a , a solução solução de de AA..xx = = bb é é obtida por obtida por um um processo processo iterativo iterativo de de convergênciaconvergência

�� O O resíduo resíduo das das equações equações deve deve ser ser menor que menor que o o estipulado na simulaçãoestipulado na simulação

Solução convergida, resíduos não mudam depois de algumas iterações

Visão Geral de CFDVisão Geral de CFDPPararââmetrmetroos Nums Numééricricosos eeSoluçãSolução o do do EscoamentoEscoamento


�� Análise e VisualizaçãoAnálise e Visualização– Propriedades calculadas em cada ponto– Cálculo das variáveis correlatas (fluxo,

vorticidade, tensão superficial,etc.)– Visualização

� Simple X-Y plots� Contorno 2D Simples� Contorno 3D� Vetores e linhas de corrente� Animações (várias figuras em série

mostradas continuamente)

Contorno Contorno de de PressãoPressão

Vetor velocidadeVetor velocidade

Visão Geral de CFDVisão Geral de CFDPósPós--ProcessamentoProcessamento


Software Software ee RecursosRecursos�� SoftwaresSoftwares de de CFD CFD são construídossão construídos com base nocom base no problema físicoproblema físico,, nos nos

modelos apropriadosmodelos apropriados ee nos métodos numéricosnos métodos numéricos�� Maiores informações sobre Maiores informações sobre CFD:CFD:

– CFD Online: http://www.cfd-online.com/– Software de CFD

� FLUENT: http://www.fluent.com/� Computational Dynamics: http://www.cd.co.uk/� PHOENICS: http://www.cham.co.uk/� CFX/AEA: http://www.software.aeat.com/cfx/

– Software de Geração de Malha� Gridgen: http://www.pointwise.com/� GridPro: http://www.gridpro.com/

– Software de Visualização� Tecplot: http://www.amtec.com/� Fieldview: http://www.ilight.com/software/

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