A dinâmica de fluidos computacional (CFD) é o uso de matemática aplicada, física e software computacional para visualizar como um gás ou líquido flui – bem como como o gás ou líquido afeta os objetos à medida que passa. A dinâmica de fluidos computacional é baseada nas equações de Navier-Stokes. Essas equações descrevem como a velocidade, pressão, temperatura e densidade de um fluido em movimento estão relacionadas.
Definição de CFD
“A dinâmica de fluidos computacional (CFD) é um ramo da mecânica dos fluidos que utiliza análise numérica e estruturas de dados para resolver e analisar problemas que envolvem fluxos de fluidos. ”
A modelagem matemática de um problema contínuo leva a um conjunto de equações diferenciais, integrais ou integro-diferenciais. A solução analítica exata de tais equações é limitada a problemas em geometrias simples. Assim, para a maioria dos problemas de interesse prático, procura-se uma solução numérica aproximada. No contexto da mecânica, a ciência e a prática de obtenção de soluções numéricas aproximadas usando computadores digitais são denominadas Mecânica Computacional. Para problemas termo-fluidos, esta abordagem é popularmente conhecida como Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD)
Os computadores são usados para realizar os cálculos necessários para simular a interação de líquidos e gases com superfícies definidas por condições de contorno. Com supercomputadores de alta velocidade, soluções melhores podem ser alcançadas. A pesquisa contínua produz software que melhora a precisão e a velocidade de cenários de simulação complexos, como fluxos transônicos ou turbulentos. A validação experimental inicial de tal software é realizada utilizando um túnel de vento, sendo a validação final realizada em testes em escala real, por exemplo, testes de voo.
A base fundamental de quase todos os problemas de CFD é a Equações de Navier-Stokes, que definem muitos fluxos de fluidos monofásicos (gás ou líquido, mas não ambos). Estas equações podem ser simplificadas removendo termos que descrevem ações viscosas para produzir as equações de Euler. Uma simplificação adicional, ao remover os termos que descrevem a vorticidade, produz as equações potenciais completas. Finalmente, para pequenas perturbações em fluxos subsônicos e supersônicos (não transônicos ou hipersônicos), essas equações podem ser linearizadas para produzir as equações potenciais linearizadas.
CFD lida com soluções numéricas aproximadas de equações governantes baseadas nas leis fundamentais de conservação da física, ou seja, massa, momento e conservação de energia.
A solução CFD envolve
- Conversão das equações governantes para um meio contínuo em um conjunto de equações algébricas discretas usando um processo chamado discretização.
- A solução das equações discretas pode usar um computador digital de alta velocidade para obter a solução numérica com o nível de precisão desejado.
Metodologia CFD:
- Limites físicos do problema definidos
- Volume definido pelos limites divididos em células ou malhas
- Modelagem física definida: as equações de movimento, radiação, entalpia e conservação de espécies
- Condições limite definidas
- A simulação é iniciada
- Análise e visualização de dados realizadas
Os principais componentes de um ciclo de design de CFD são os seguintes:
- Analista – indica o problema a ser resolvido
- Modelo e métodos – expresso matematicamente
- Programas – incorpora conhecimento e fornece algoritmos
- Hardware de computador – para cálculos reais, e um analista deve inspecionar e interpretar os resultados da simulação
Dinâmica de fluidos computacional APLICAÇÃOAPLICAÇÕES DE CFD
O CFD está sendo usado para pesquisa fundamental, bem como para P&D industrial. A análise CFD é parte integrante do ciclo de design na maioria das indústrias: desde aeroespacial, química e de transporte até engenharia biomédica. As escalas de comprimento variam desde camadas limites planetárias até microcanais em equipamentos eletrônicos. A seguir está uma pequena lista de algumas das aplicações mais proeminentes de CFD:
- Meteorologia: previsão do tempo
- Aeroespacial: projeto de asas para completar o projeto aerodinâmico da aeronave
- Turbomáquinas: projeto de turbinas hidráulicas, a vapor, a gás e eólicas; projeto de bombas, compressores, sopradores, ventiladores, difusores, bicos.
- Motores: modelagem de combustão em motores de combustão interna
- Eletrônicos: resfriamento de microcircuitos
- Engenharia de processos químicos
- Sistemas de energia: análise de usinas térmicas e nucleares, modelagem de situações de acidentes em reatores nucleares.
- Hidráulica e hidrologia: fluxo em rios, canais, aquíferos subterrâneos, transporte de sedimentos.
- AVAC: Projeto de dutos, colocação de dutos de aquecimento/resfriamento para conforto ideal em um edifício
- Transporte de superfície: design aerodinâmico de veículos
- Marinho: projeto hidrodinâmico de navios, cargas em estruturas off-shore
- Biomédico: simulação do fluxo sanguíneo através de artérias e veias, fluxo de fluidos nos sistemas renal e ocular.
- Física de fluxo fundamental: dinâmica de escoamentos laminares, transicionais e turbulentos.
