Fluidodinâmica Computacional (CFD)

CFD (Computational Fluid Dynamics), como é comumente conhecida a

fluidodinâmica computacional, fornece previsões quantitativas do

fenômeno de escoamento de fluidos, que ocorrem sob condições

definidas em termos de:

• Geometria (forma e tamanho do domínio, entradas e saídas, blocos);

• Propriedades dos fluidos (viscosidade, densidade, cond.térmica, …);

• Condições iniciais (quando o escoamento é dependente do tempo);

• Condições de contorno (especificações de entrada e saída de massa,

momento e energia no domínio da simulação).

Aspectos Positivos

• Simulações são freqüentemente mais baratas e mais

rapidamente produzidas que método de “tentativa & erro”;

• permitem que os parâmetros fornecidos sejam facilmente

variados em uma larga faixa, simplificando a otimização e o

projeto de equipamentos e evitando transtornos operacionais;

• evitam a necessidade de emprego de técnicas de scale-up;

• podem fornecer informações mais detalhadas do que as

possíveis de serem obtidas através de medidas;

• permitem a investigação de situações de risco que não podem

ser reproduzidas ou geradas (aplicação na Análise de Riscos),

como por exemplo: explosões, falhas em processos nucleares,

desastres ecológicos, etc.

Aspectos não-Positivos

Os resultados de CFD não são 100% realistas. Isto porque:

• por razões econômicas, são normalmente utilizados poucos

instantes de tempo e porções do espaço na simulação;

• os dados de entrada (geometria, propriedades do fluido)

normalmente são aproximados;

• as condições iniciais e de contorno representam a situação real

muito cruamente;

• o escoamento pode envolver fenômenos (turbulência, radiação ou

escoamento multifásico) que ainda não são perfeitamente

representados pelas atuais teorias científicas;

• limitações dos métodos numéricos.

Aplicações de CFD

CFD consiste em utilizar métodos computacionais para a

predição quantitativa das características de escoamentos,

incluindo:

transferência de calor;

transferência de massa (difusão, dissolução);

mudança de fase (fusão, solidificação, ebulição,

condensação);

reações químicas (combustão, oxidação);

aspectos mecânicos (movimento de pistões, hélices,

palhetas);

tensões e deslocamento de sólidos imersos ou

circundantes.

Campo de pressão num automóvel Campo de velocidade num jato

Grade e contorno de pressão

numa cascada 2-D Perfil de concentração de gases

Cuidado com a mágica da CFD !

CFD não pode ser usado como uma “caixa-preta”!

Corolário: CFD não é Color Fluid Dynamics!

• Há necessidade de espírito crítico acentuado;

• conhecimento do fenômeno físico;

• conhecimento matemático;

• Verificação / VALIDAÇÃO de modelo.

Previsões computacionais são baseadas em

considerações, a Natureza não.

COMMENTS

• VR is almost self-explained, the icon language helps a lot

the students to get used with the PHOENICS

environment.

• Some times there are ‘over-shuts’. The beginners over

optimism turn in a excess of self confidence: they

already can do any thing with the package:

OBJETIVOS DO CURSO

Dar uma introdução à Mecânica dos Fluidos Computacional por meio

da utilização do pacote comercial PHOENICS, através disto o curso

pretende:

• Familiarizar o aluno no PHOENICS dando capacidade de formular

problemas simples;

• Introduzir conceitos básicos de métodos numéricos;

• Rever alguns conceitos básicos de mecânica dos fluidos e

transferência de calor;

• Apresentar a linguagem FORTRAN;

CONCLUINDO: este curso não é o fim mas o começo para quem

pretende ser introduzido numa área nova e com grande demanda de

pessoas.

COMO APRENDER CFD?

• O aprendizado se dá em níveis que são desenvolvido ao longo de anos de experiência.

• Cada nível requer conhecimento BÁSICO de três áreas:

• Requer também muita prática, isto é, só se

aprende fazendo.

MÉTODOS NUMÉRICOS

PACOTE & FORTRAN

FUNDAMENTOS EM:

MEC FLU & TRANS CAL

THE ONE WEEK COURSE AND THE ‘S’ CURVE

• The five day training was quite challenging to a person

who never heard about PHOENICS!

• Some advice when there are so much information: “let

PHOENICS shovel into you”

time

know

ledge

Stayed here for

nearly 12 months!

HOW LONG DOES IT TAKE TO GET GOOD AT PHOENICS?

MAKING UP TO THE ONE-WEEK COURSE

• After a period of one year I realized that what was

said about PHOENICS was enough for a start.

• I also concluded: to learn PHOENICS is

necessary to put the hands on.

• With a minimum knowledge to walk around within

PHOENICS you start make your own ‘numerical

experiences’: I think it should work this way.

Does it work the way I though?

• Every affirmative answer is another brick on the

wall.

NUMERICAL EXPERIENCES...

WHAT IS THE MINIMUM KNOWLEDGE?

• It is quite difficult to draw a dividing line between the software and the human interface.

• They are strongly coupled and interplay at all stages of the process

• Therefore to get acquaintance with PHOENICS is necessary to have fundamental knowledge on the 3 topics within the triangle.

Natural

phenomenon

output

Analyzing if

the output

makes

sense

Crunching number machine

Physical

modeling

Numerical schemes

Software:

PHOENICS

Softwares Comerciais de CFD

www.fluent.com/ www.cfdrc.com/

Referências em CFD

http://ad-www.larc.nasa.gov/tsab/cfdlarc/

http://www.flow3d.com/#

• CFD codes list - commercial product: icemcfd.com/cfd/CFD_codes_c.html

• Pacotes comerciais que utilizam Volumes Finitos & FORTRAN

http://www.ansys.com/Products/cfx.asp

http://www.cfd-online.com

• Sites de Referência

O que é o PHOENICS:

PHOENICS é uma sigla que significa: Parabolic, Hiperbolic and Elliptic Numerical Integration Code Series ;

Ele surgiu das ‘cinzas’ de diversos códigos anteriores dedicados a problemas específicos;

Ele é um código geral para simular escoamentos monofásicos ou bifásicos, tranferência de calor e massa, fenômenos de reações químicas e interações fluido e sólido

http://www.cham.co.uk/

Professor Bryan Spalding

Desenvolvimento do Pacote

• Subsequent versions include:

• PHOENICS 1.4 of May 1987,

• PHOENICS 1.5 of October

1989

• PHOENICS 1.6 of Spring 1991

• PHOENICS 1.6.6 of December

1992

• PHOENICS 2.0 of December

1993

• PHOENICS 2.1 of December 1994

• PHOENICS 2.2 of January 1996,

• PHOENICS 3.0 of December 1998

• PHOENICS 3.1 and 3.2 during 1999

• PHOENICS 3.2 year 2000.

• PHOENICS 3.5 year 2002.

• PHOENICS 3.6 year 2004.

• PHOENICS 2006.

Versions of PHOENICS

• PHOENICS-81 with subsequent minor updates, has been available

since 1981, and is still in use.

• PHOENICS-84 was issued at the end of 1984. It differed from

PHOENICS- 81 both in its input procedures and its range of

applications; and it set the style for subsequent developments.

Informações Quantitativas do PHOENICS

• PHOENICS is written in standard ANSI FORTRAN 77 for maximum

portability.

• PHOENICS contains approximately 110,000 statements, arranged in

about 2000 subroutines.

•The EARTH program occupies about 1 megabyte of (32-bit-word)

memory depending on the user-selected problem size.

• PHOENICS is operational on most main-frame, mini-computers and

• work-stations including: Cray, DEC, Hewlett-Packard, IBM, Silicon

Graphics, Sun and several parallel-processor computers.

• Personal-computer versions are increasingly popular.

Estrutura Geral de Arquivos

• PHOENICS has a ‘planetary’ arrangement, with a central core of

subroutines called EARTH, and a

• SATELLITE program, which accepts inputs through the Virtual Reality

(VR) interface or otherwise, which correspond to a particular flow

simulation.

• EARTH and SATELLITE are distinct programs.

• SATELLITE is a data-preparation program; it writes a data file which

EARTH reads.

• PHOENICS users work mainly with SATELLITE, but they can access

EARTH also in controlled ways.

• GROUND is the EARTH subroutine which users access when

incorporating special features of their own.

Esquemático das Três Principais Funções do PHOENICS

PHOTON

AUTOPLOT

RESULT

PHI

XYZ

PÓS

PROCESSAMENTO:

Apresentação

Resultados

Satellite EARDAT

q1

Earth

GREX

(ground examples)

GRND

(user code)

Arquivos

FORTRAN

PRÉ

PROCESSAMENTO:

Definição Problema MAIN: simulação

VR VIEWER Virtual Reality

v 3.0

MENU

v 2.0

NotePad

PIL /

FORTRAN

Como se familiarizar com o PHOENICS?

POLIS - PHOENICS On Line Information System

• Lectures

• Tutorials

• Workshop

• Case Examples (System Lybrary)

• PHOENICS Encyclopedia

POLÍTICA DE USO

• Quem comprou o PHOENICS? A CPG-FEM por meio de um processo

licitatório.

• Quem forneceu o software? A CHAM por intermédio de seu representante no

Brasil, CHEMTECH- www.chemtech.com.br.

• Qual é o tipo de licença? Acadêmica, isto é, não pode ser utilizada para fins

comerciais. Existe um termo de compromisso assinado e pode ser utilizado

judicialmente.

• Em quantas máquinas pode ser instalado? Em quantas quiserem. A licença

não tem limite para o número de usuários desde que sejam da FEM.

• Por quanto tempo vale a versão 3.3 adquirida? A licença é perpétua.

• Como solicitar instalação? As solicitações devem ser em grupo, se possível.

Cada grupo de máquinas terá um código de grupo fornecido pela CHAM. Ele

será solicitado pela FEM diretamente à CHAM. As máquinas deverão pertencer

à FEM e estarem fisicamente presentes na FEM. Uma vez com o ‘unlocking

string’ o SIFEM procederá a instalação.

• Qual é o perfil da máquina? Pentium III com no mínimo 128 MB de RAM.

Windows 95/98 ou NT. Deverá também ser instalado o Compac FORTRAN.

PHOENICS SOURCES OF INFORMATION

• PHOENICS Encyclopedia

• Documentation – TRs

– Download for class use:

• Starting with PHOENICS-VR; TR 324

• The PHOENICS-VR reference guide; TR 326

• Material properties in PHOENICS; TR 004

• In-Form; TR 003

• Tutorials – self learning tips

– It will be used in class #3 thru #8

• PHOENICS FORUM – CFD online

– If everything goes wrong try the forum; maybe

somebody with a similar problem will help

you!

Outros Pacotes de CFD que utilizam Volumes

Finitos

www.fluent.com/

www.cfdrc.com/

http://www.flow3d.com/#

http://www.ansys.com/Products/cfx.asp

OPEN FOAM

http://www.openfoam.com/