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Aula 01: Introdução à Fluidodinâmica Computacional.
1 de março de 2016
Professora Livia Jatobá
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IPRJ 02-07637 DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONALhttp://www.liviajatoba.com/iprj02-07637
O QUE É?
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A DINÂMICA DOS FLUIDOS ESTUDA A AÇÃO DE FORÇAS EM FLUIDOS PRODUZINDO MOVIMENTO.
A DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL ESTUDA A SOLUÇÃO NUMÉRICA DAS EQUAÇÕES QUE
GOVERNAM O ESCOAMENTO DE FLUIDOS.
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O QUE É?
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL
aka:
É uma área da mecânica dos fluidos em constante desenvolvimento.
MECÂNICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA DE PROCESSOSSIMULAÇÃO DE TANQUE DE MISTURAÇÃO GAS-LIQUIDO
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
PROJETO DE EQUIPAMENTOS DE SEPARAÇÃO, REATORES, CICLONES.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA DE PROCESSOSTURBOMÁQUINAS (BOMBAS, COMPRESSORES, TURBINAS).
SHASHA XIE, Studies of the ERCOFTAC Centrifugal Pump with OpenFOAM, Master’s Thesis, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2010.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA DE ELETRÔNICOS
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICA
PROJETO DE CARROS: AERODINÂMICA EXTERIOR (REDUÇÃO DE ARRASTO), PROJETO DE COMPONENTES (VENTILAÇÃO, MOTOR, EXAUSTÃO)
Crédito: Othmer, C. Journal of Mathematics in Industry, 2014, doi:10.1186/2190-5983-4-6
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA AUTOMOBILÍSTICASIMULAÇÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA.
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA AEROESPACIALPROJETO DE AVIÕES, MOTORES À JATO
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
Créditos: ATA Engineering, Inc. www.ata-e.com/services/computational-fluid-dynamics-cfd-and-fluid-structure-interaction-fsi-analysis-services, em Agosto 2015.
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NA INDUSTRIA AEROESPACIAL
EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
Créditos: CD-ADAPCO, www.cd-adapco.com/cfdImage/supersonic-flow-around-spacex-falcon-launch-vehicle-plumes, em Agosto de 2015.
Escoamento supersônico ao redor do veículo espacial FALCON da SPACEX
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA INDUSTRIA NAVAL
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
PROJETO DE NAVIOS, PROPULSORES, ANÁLISE DA INTERAÇÃO FLUIDO/ESTRUTURA.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA ÁREA AMBIENTALANÁLISE DA DISPERSÃO DE POLUENTES
Créditos: Synergetics, synergetics.com.au/component/tags/tag/2-cfd, em Agosto 2015.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NO ESPORTE
AERODINÂMICA NO ESPORTE PARA MELHORIA DE PERFORMANCE.
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA MEDICINA
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
SIMULAÇÃO DA AORTA, CAVIDADE NASAL, ANEURISMA.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA MEDICINA
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
SIMULAÇÃO DA ADMINISTRAÇÃO DE MEDICAMENTOS.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA MEDICINA
Créditos: CD-ADAPCO Image Gallery, www.cd-adapco.com/cfdImage, em Agosto 2015.
SIMULAÇÃO DE BOMBA PARA SANGUE.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÕES
NA BIOLOGIAESTUDO DO COMPORTAMENTO DE BACTÉRIAS
Créditos: Enkeleida Lushi, Hugo Wiolandb, e Raymond E. Goldsteinb, PNAS, vol. 111, no. 27, 9733–9738, 2014.doi: 10.1073/pnas.1405698111, http://www.pnas.org/content/111/27/9733.full?tab=ds
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SOBRE A DISCIPLINA
PARTE TEÓRICA
✓ Introdução à fluidodinâmica computacional. ✓Revisão das equações de conservação e condições de contorno.✓ Introdução à turbulência e modelos de turbulência.✓Métodos numéricos para a solução das equações de transporte:
métodos de diferenças finitas e de volumes finitos.✓Método dos volumes finitos.✓ Solução seqüencial das equações de conservação. Métodos de
acoplamento pressão velocidade.
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SOBRE A DISCIPLINA
PARTE PRÁTICA
✓Conceitos básicos para o uso do terminal em Linux.✓ Softwares livre para construção de malhas: blockMesh e gmsh.✓ Softwares livre para simulação de dinâmica de fluidos
computacional: OpenFOAM.✓Aplicativos de pósprocessamento e análise de resultados:
paraview e gnuplot.✓Tutoriais: escoamento em um cavidade, escoamento em torno de
um cilindro, escoamento em duto de seção circular e transporte de um escalar.
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BIBLIOGRAFIA
FERZIGER, J. H. , PERIC., M., “Computational methods for fluid dynamics”, Springer, 1996.
MALISKA, C.R., “Transferência de Calor e Mecânica dos Fluidos Computacional”, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S. A., 1995.
VERSTEEG, H. K. e MALALASEKERA, W., “An introduction to computational fluid dynamic : the finite volume method”, Longman , 1995.
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PLANO DE AULAS
Consulte o plano de aulas em: www.liviajatoba.com/iprj02-07637-plano-aulas
PRÉ-REQUISITOS
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✓Equações que governam o problema de escoamento e transferência de calor em fluidos.
✓ Familiaridade com o uso de computador pessoal.✓Conhecimento de Linux (nível de usuário) é desejado mas não
obrigatório.✓Este não será um curso de programação em C++.✓Não será necessário nenhum conhecimento prévio de ferramentas
CAE (Computer-aided engineering).
OBJETIVO DO CURSO
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Fornecer base teórica e prática para o entendimento das etapas de uma simulação CFD:✓ geração da geometria e malha;✓ equações que governam o problema e condições de contorno;✓ solução numérica;✓pós-processamento dos resultados.
POR QUE CFD?
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✓ A solução numérica de problemas da engenharia passou a ser uma realidade graças ao avanço dos recursos computacionais.
✓ Computadores mais rápidos e mais baratos tornaram a simulação uma ferramenta acessível e fundamental nos projetos de engenharia.
✓ Os avanços computacionais estimulam o desenvolvimento de novos métodos numéricas e algoritmos.
✓ O desenvolvimento da área depende de dois fatores:✓ Modelos que representem o problema físico com acurácia.✓ Métodos numéricos e algoritmos que resolvam as equações com
baixo erro.
FERRAMENTAS DE PROJETO
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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO
MÉTODOS ANALÍTICOS
MÉTODOS NUMÉRICOS
EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO
FERRAMENTAS DE PROJETO
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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO
MÉTODOS ANALÍTICOS
MÉTODOS NUMÉRICOS
MÉTODOS TEÓRICOSResolvem equações diferenciais (modelo matemático) que representa o problema físico.
FERRAMENTAS DE PROJETO
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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO
MÉTODOS ANALÍTICOS
MÉTODOS NUMÉRICOS
PRINCIPAL DIFERENÇAComplexidade das equações que cada método consegue resolver.
As hipóteses desviam o modelo do fenômeno
físico real.
FERRAMENTAS DE PROJETO
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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO
EXPERIMENTAÇÃO EM LABORATÓRIO
Vantagem: configuração real.Desvantagem: alto custo e, em alguns casos, se quer é factível.
FERRAMENTAS DE PROJETO
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SÃO TRÊS AS FERRAMENTAS QUE UM ENGENHEIRO DISPÕEM PARA DESENVOLVER UM PROJETO
MÉTODOS ANALÍTICOS
MÉTODOS NUMÉRICOS
Vantagens: baixo custo e tempo de resposta. Permite o estudo de problemas físicos que não poderiam ser estudados experimentalmente. Resultados detalhados de diferentes variáveis do escoamento.
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FERRAMENTAS DE PROJETO
PROBLEMA FÍSICO
MODELO MATEMÁTICO
TESTES EM LABORATÓRIO
RESULTADO ANALÍTICO
RESULTADO NUMÉRICO
RESULTADO EXPERIMENTAL
Métodos experimentais:Concepção do experimento.Qualidade dos equipamentos de medição.Leis de similaridade.
Métodos teóricos:Leis de conservação.Relações constitutivas, modelos de turbulência.Condições de contorno.
Método analítico: solução exata das equações diferenciais.
Método numérico:Integração espacial e temporal.Malha.Funções de interpolação.Solução de sistemas algébricos.Critérios de convergência.
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FERRAMENTAS DE PROJETO
PROBLEMA FÍSICO
MODELO MATEMÁTICO
TESTES EM LABORATÓRIO
RESULTADO ANALÍTICO
RESULTADO NUMÉRICO
RESULTADO EXPERIMENTAL
VERIFICAÇÃO
VALIDAÇÃO
MÉTODOS NUMÉRICOS
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Suas restrições são:✓ a capacidade das equações e condições de contorno de
representar o problema físico (modelo matemático).✓ a acurácia do modelo geométrico.✓ a capacidade computacional para discretizar o modelo
geométrico (tamanho da malha).✓o erro da solução numérica.
ETAPAS DE UMA SIMULAÇÃO CFD
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1.Etapa de pré-processamento: - Modelo matemático do problema físico:
- Equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia.- Condição de inicial e de contorno.- Equações constitutivas e propriedades do fluido.- Hipóteses simplificadoras.
- Modelo geométrico.- Discretização do modelo geométrico (malha).- Discretização das equações diferenciais (método numérico).- Sequência de solução das equações discretizadas (algoritmo).- Critérios de convergência.
2.Etapa de solução: - Solução do sistema algébrico formado (método iterativo).
3.Etapa de pós-processamento: - Análise dos resultados.- Revisão do modelo matemático e hipóteses simplificadoras.
RESUMO
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✓CFD é um método de solução numérica para resolver as equações
que governam o escoamento e transferência de calor em fluidos.
✓É uma ferramenta de projeto de engenharia.
✓É usado em estudos puramente científicos (p.e.: fundamentos da
turbulência).