Introdução à Dinâmica dos Fluídos

Computacional (CFD)

Capítulo 1Graduação em Engenharia Química

Prof. Irineu Petri Júnior

2020

UNIVERSIDADE FEDERAL

DE LAVRAS

Departamento de Engenharia (DEG)

Ementa

1. Introdução

1.1. O que é CFD?

1.2. Porque utilizar CFD?

1.3. Exemplos de aplicações de CFD

2. Equações Fundamentais da Dinâmica

dos Fluidos

2.1. Equação de conservação da massa

2.2. Equação de conservação da quantidade de

movimento + turbulência

2.3. Equação de conservação de energia

3. Técnicas para Resolução Numérica de

Equações Diferenciais Parciais e Cálculo

do Campo de Escoamento

3.1. Discretização pelo método dos volumes

finitos

3.2. Solução do sistema de equações discretizadas

3.3. Métodos de Acoplamento Pressão-Velocidade

3.4. Consistência, Estabilidade e Convergência

4. Uso do Software Comercial na

Resolução de Problemas Básicos

envolvendo Fenômenos de Transporte

4.1. Criação da geometria e da malha

computacional

4.2. Uso de bibliotecas de propriedades de

materiais

4.3. Tipos de Condições de Contorno e Iniciais

4.4. Pré-processamento, solução e pós-

processamento

2

Introdução à Dinâmica dos Fluídos Computacional (CFD)

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

Bibliografia

3

S. V. PATANKAR. Numerical Heat

Transfer and Fluid Flow, Editora

Taylor & Francis, 1980 (2012)

H. K. VERSTEEG & W.

MALALASEKERA, Na Introduction to

Computational Fluid Dynamics – The

Finite Volume Method, Editora Pearson,

2ª edição, 1995 (2007)

Plano de Curso

Aulas:

1. (03/03) Capítulo 1 + Problema 0 + Problema 1 + Problema 2

2. (10/03) Capítulo 2 + Problema 3

3. (17/03) Capítulo 2 + Problema 4

4. (24/03) Capítulo 2 + Problema 5 + Entrega Trabalho 1

(31/03) I SEQ

5. (07/04) Capítulo 2 + Problema 6

6. (14/04) Capítulo 3 + Problema 7 + Entrega Trabalho 2

(21/04) Feriado – Tiradentes

7. (28/04) Dia letivo sem ministração de aula

8. (05/05) Capítulo 3 + Problema 8

9. (12/05) Capítulo 3 + Problema 9

10. (19/05) Capítulo 3 + Problema 10

11. (26/05) Prova teórica

12. (02/06) Problema 11

13. (09/06) Problema 12

14. (16/06) Problema 13

15. (23/06) Problema 14 + Entrega Trabalho 3

16. (30/06) Trabalho em sala

17. (07/07) Prova Adicional 4

Introdução à Dinâmica dos Fluidos Computacional (iCFD)

Considerações e Regras Gerais1) As aulas serão:

Terça-feira às 13h no LMOP (8T+8P = 16 dias)

2) Sistema de Avaliação: ~10 minitestes, 1 prova teórica (sem consulta), 3 trabalhos para casa, 1 trabalho em sala (sem

consulta), 1 prova de recuperação.

Prova teórica (sem consulta - 25%): 26/05/2020 (Capítulo 1, 2 e 3)

Miniteste da videoaula (sem consulta - 15%): (Problemas 3 a 14)

Trabalho 1 para casa (5%): 24/03/2020 (Problemas 1 a 4)

Trabalho 2 para casa (10%): 14/04/2020 (Problemas 5 e 6)

Trabalho 3 para casa (15%): 23/06/2020 (Problemas 7 a 13)

Trabalho em sala (sem consulta - 30%): 30/06/2020 (Problemas 1 a 14)

Prova adicional: 07/07/2020 (Capítulo 1, 2, 3 e Problemas 1 a 14)

3) A avaliação adicional será aplicada somente se mais de 30% dos alunos obtiverem nota final inferior a 60% (Art. 126

CEPE 473/2018);

4) A média feita entre a nota do aluno e a prova de recuperação deve ser acima de 60% para que o aluno seja aprovado na

disciplina. Independentemente do valor da nota do aluno aprovado, o mesmo ficará com uma nota de 60% no SIG (Art. 126

CEPE 473/2018);

5) Qualquer tipo de cola durante a aplicação da prova será penalizado com nota 0 (zero);

6) Todo o material, notas, avisos e submissão de trabalhos serão feitos pelo site www.irineupetri.com/icfd;

7) Vista de prova será feita em data/horário definido em até 15 dias após divulgação do resultado da avaliação, não será

realizado vista de prova fora disso (Art. 120 CEPE 473/2007);

8) Prova de 2ª chamada será agendado pelo professor e contará com (1) uma questão adicional. Não haverá segunda

chamada para os “Trabalhos para casa”. (Art. 133 CEPE 473/2007);

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9) Aluno matriculado na disciplina deve escolher um computador e o mesmo deve zelar de seu hardware e software

durante todo o curso (não podendo trocar). Logo, sempre que for realizar alguma atividade avaliativa, chegue mais cedo e

teste seu computador para verificar se está tudo funcionando de acordo. Alternativamente, o aluno poderá utilizar seu

notebook durantes as aulas e atividades avaliativas.

10) O aluno deverá criar um usuário válido no YouTube e enviar o email dessa conta para o prof. da disciplina para que o

mesmo possa liberar o acesso às videoaulas;

11) As aulas práticas consomem bastante tempo, por isso o aluno deve assistir e treinar antecipadamente o conteúdo da

videoaula, pois o prof. irá somente explicar os pontos importantes em sala de aula;

12) Minitestes sobre a videoaula do dia, ao início das aulas práticas, para forçar o estudo extraclasse do aluno;

13) Horário de atendimento aos alunos será nas TERÇAS-FEIRAS das 10h às 12h;

14) O aluno deve cumprir as normas de utilização do LMOP, caso contrário será penalizado na sua nota final e/ou

expulso do laboratório;

15) O código-fonte dos arquivos do Workbench permite descobrir todo histórico da geometria e malha, assim como o

host e computadores em que foi feito. Qualquer indício de “trapaça”, o aluno sofrerá penalização.

16) Monitor da disciplina é Gabriel Franco Baldim e estará disponível para auxiliá-los nas QUINTAS-FEIRAS das 8h as

10h na sala de monitoria.

17) Os casos omissos serão resolvidos pelo professor da disciplina e, quando necessário, pelo colegiado do curso de

Engenharia Química.

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IntroduçãoO que é CFD?

Fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) é o conjunto das

técnicas de simulação computacional usadas para predizer os fenômenos físicos ou físico-

químicos que ocorrem em escoamentos através de equações de conservação em um dado

escoamento.

A origem destas equações de conservação é a teoria de Fenômenos de Transporte.

É importante ressaltar que simulações CFD possuem limitações:

Na maioria das áreas, ainda é necessário o desenvolvimento de modelos mais precisos como, por

exemplo, nas áreas de turbulência, radiação, combustão, escoamentos multifásicos, etc.

A aplicação de condições de contorno necessita do desenvolvimento de ferramentas cada vez

melhores para descrever, em detalhes, a geometria do domínio de cálculo e dividi-la em

subdomínios.

7

Por que utilizar CFD?

A simulação é usada por físicos, químicos e engenheiros para predizer o comportamento de um

produto, processo ou material em determinadas condições assumidas ou aferidas. A importância das

técnicas de simulação tem aumentado muito e podem-se citar várias razões para tal fato:

Necessidade de predição: a impossibilidade de predizer com acurácia a performance de um novo

produto tem um efeito devastador nas empresas.

Custo de experimentos: os experimentos, que são a única alternativa à simulação, são custosos.

Ex.: Custo de um túnel de vento transônico escala industrial: US$ 100.000.000,00

Impossibilidade dos experimentos: em alguns casos, os experimentos são impossíveis de serem

realizados. Podem-se citar alguns exemplos, como eventos solares e galácticos, explosões nucleares

na atmosfera e situações biomédicas que poderiam colocar em risco a vida do paciente.

Detalhes de experimentos: a maioria das simulações em larga escala oferecem mais detalhes do

que os experimentos. O número de pontos discretizados na simulação é equivalente ao mesmo

número de pontos de medida direta em um experimento.

Velocidade computacional e memória: a capacidade computacional (processamento e memória)

continua a dobrar a cada 18 meses, seguindo a lei de Moore. Ao mesmo tempo, os algoritmos de

solução continuam a ser desenvolvidos, com precisão e desempenho cada vez melhores. Deste

modo, as simulações tendem a ser cada vez mais realísticas, com a inclusão de modelos mais

abrangentes e uma maior resolução espacial do domínio de cálculo.

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História do CFD

9

Início do Século XIX

Engenheiros Matemáticos

Estudos Empíricos

Grande número de experimentos

Informações inestimáveis para época

Falta de aplicação da teoria existente

Resultados restritos

Falta de informações experimentais

Uso de elevado número de simplificações

Resultados à margem da realidade

Tornou-se claro para alguns pesquisadores iminentes, como Reynolds, Froude, Prandtl e Von Kármán,

que o estudo dos fluidos deve consistir em uma combinação da teoria e da experiência, dando assim início

à ciência da MECÂNICA DOS FLUIDOS como se conhece hoje.

10

Problema Físico

Bancada de Testes

em Laboratório

Modelo

Matemático

• Concepção do

experimento;

• Leis de similaridade;

• Qualidade dos

equipamentos de

medição;

• Processamento dos

dados;

• etc.

Solução Exata

das equações

diferenciais

MÉTODOS

ANALÍTICOS

MÉTODOS

NUMÉRICOS

•Integrações espaciais e

temporais

•Tratamento das não-

linearidades e

acoplamento

•Natureza da malha

•Funções de interpolação

•Método de solução dos

sistemas lineares

•Escolha do tamanho da

malha

•Escolha do tamanho do

intervalo de tempo

•Critérios de convergência

dos diversos ciclos

iterativos

MÉTODOS

TEÓRICOS

•Leis de conservação,

como quantidade de

movimento, massa,

energia, etc

•Relações constitutivas,

modelos de turbulência,

etc.

•Condições de contorno

Resultado

Experimental

Resultado

Analítico

Resultado

Numérico

11

Linha do tempo da fluidodinâmica computacional

Pioneiro, CFD aplicada

à metereologia

RICHARDSON

1910 1946 1957 1967 1970 Atualmente

Avan

ços

2D transiente

HARLOW et al.

HESS & SMITH

3D

Indústria aerodinâmica

Principal impulsionadora dos

estudos e do avanço da

fluidodinâmica computacional.

1º computador

(ENIAC)

1946

4ª geração

(Altair 8800,

Macintosh, etc.)

12

O avanço tecnológico dos PC’s:

Solução do escoamento turbulento sobre um aerofólio,

usando computadores do tipo IBM 704, existentes na

década de 60, consumiria um tempo de computação de

aproximadamente 30 anos, com um custo de 10 milhões

de dólares.

O mesmo problema, utilizando os computadores atuais,

requer minutos de CPU com um custo de centenas de

dólares.

Sistemas de alto desempenho:

As estações de trabalho

Os supercomputadores

Os sistemas cluster: Alta Performance (beowulf)

Alta disponibilidade

Balanceamento de Carga

Combinados

Aplicações da Técnica de CFD

Alguns exemplos interessantes:

13

Indústria automobilística Indústria aeroespacial

EsportesAutomobilismo (F1)

14

Animais

EstruturasBrinquedos

Fisiologia e Patologias

Mecânica corporal

Aplicações em Engenharia Química

15

Tambor rotativoGranulação de fertilizantes

Trocadores de calorIndústria de açúcar e álcool

Ciclones e HidrociclonesIndústria de mineração

MisturadorIndústria de ração animal

16

Reator por leito fluidizadoIndústria química

Bomba centrífugaIndústria de papel e celulose

CaldeiraIndústria de alimentos

RefervedorIndústria do petróleo

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Fluidodinâmica Computacional (CFD) (Na Engenharia Química)

1. Estudo dos escoamentos gasoso e gás-sólido em ciclones pela aplicação de técnicas de

fluidodinâmica computacional

2. Modelagem e simulação de motores a combustão interna por técnicas da fluidodinâmica

computacional (CFD)

3. Desenvolvimento de uma metodologia para avaliação numérica e experimental do escoamento

liquido/vapor em colunas de destilação

4. Modelagem tridimensional da dispersão de poluentes em rios

5. Introdução à modelagem em 3D para reatores CSTR empregando o "método dos volumes finitos"

na resolução da fluidodinâmica (CFD)

6. Aplicação de técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) em fornos para produção de

cimento

7. Modelagem de um reator com serpentinas axiais utilizando a fluido dinâmica computacional - CFD

8. Ensaios experimentais e de simulação com misturadores estáticos

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10. Modelagem do escoamento e da troca de calor por radiação de um recuperador de calor

siderúrgico

11. Análise Numérica do Escoamento Compressível e da Transferência de Calor no Interior de

Refrigeradores Domésticos

12. Metodologia de obtenção de resultados em fluidodinâmica computacional: aplicação a reatores

tanques agitados

13. Estudo do Comportamento Térmico de Fornos: Utilizados na Indústria de Cerâmica

Vermelha.

14. Modelagem matemática e simulação numérica do escoamento líquido-vapor num prato de

destilação

15. Simulação de reações químicas e consumo de calor em risers.

16. Modelagem e simulação tridimensional transiente do escoamento gás-sólido

17. Entre outros milhares de processos...

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Fluidodinâmica Computacional CFD

(Na Engenharia Química – UFLA)

Pesquisadores envolvidos em estudos de CFD

Profª. Drª. Isabele C. Bicalho

Profª. Drª. Suellen M. Nascimento

Prof. Dr. Irineu Petri Júnior

Links úteis:

www.ansys.com.br

www.cfd-online.com

www.infowester.com/cluster.php

NEMENSC UFLA - Núcleo de

Estudos em Métodos Numéricos

e Simulação Computacional

Na UFLA: