Dada a natureza complexa dos problemas de engenharia modernos, muitas empresas e profissionais têm buscado métodos computacionais, seja em paralelo às técnicas convencionais da indústria ou como peça fundamental de técnicas em desenvolvimento para casos cada vez mais específicos. Isso pode ser observado pelo aumento no número de softwares comerciais e de licença aberta nos últimos anos.
Figura 1: Um apanhado dos softwares de CFD modernos.
A fluidodinâmica computacional permite a projetistas avaliar sistemas complexos que seriam demasiadamente custosos de se reproduzir fisicamente (Interior de tubulações em poços de petróleo, sistemas de refrigeração complexos, plantas químicas, etc). Anteriormente, buscava-se apenas analisar qualitativamente estes sistemas, ainda baseando-se principalmente em experiências prévias ou na literatura para obtenção das principais propriedades de interesse. Contudo, graças a avanços tecnológicos das últimas décadas, a modelagem computacional tem se tornado cada vez mais eficiente e precisa, podendo ser a principal ferramenta de projeto nas mãos de profissionais treinados.
Para a engenharia naval, CFD pode ser uma ferramenta útil para a análise de sistemas de bombeio de fluidos (como fluidos de lastro, operações de carga/descarga), propulsivos (eficiência do rotor, eficiência dos motores geradores) e principalmente as propriedades hidrodinâmicas do casco (Estabilidade em condição de mar, arrasto). Além da sua utilidade é muito fácil começar a aprender e a rodar casos simples.
Existem muitos softwares comerciais de CFD, todos possuem métodos numéricos validados para escoamentos clássicos, baseados na literatura ou experimentalmente, e apresentam interface e modelagem mais otimizada para usuários inexperientes. Estes softwares são muito fáceis de usar quando comparados com alternativas Open Source (código aberto e gratuito) e costumam agregar múltiplas funções em um único aplicativo. Contudo, essa praticidade tem um preço que pode estar muito além do que um iniciante movido pelo interesse está disposto a pagar, pacotes como Ansys Fluent (um dos pacotes CFD mais utilizados) podem ter suas licenças com preço variando entre centenas de dólares e dezenas de milhares de dólares , caso sejam incluídos serviços de processamento em nuvem.
Muitos destes pacotes oferecem “amostras grátis” ou “versões de teste”, que são limitadas, mas podem ser usadas por estudantes e iniciantes de maneira que possam aprender de maneira gratuita.
No entanto, existem alternativas de alta qualidade para quem está disposto a se aprofundar no universo dos aplicativos Open Source como: OpenFOAM, code_saturne, Gerris e SU2. E não é porque estes softwares são gratuitos que eles deixam de ser ferramentas poderosas, o OpenFOAM por exemplo serviu de base para o desenvolvimento de softwares comerciais como Simscale e Simflow.
A curva de aprendizado para estas ferramentas Open Source pode ser intimidadora, mas dada sua natureza aberta existe uma abundância de fontes de conhecimento para orientar e facilitar o seu aprendizado.
Algumas particularidades da análise CFD devem ser consideradas antes do início de qualquer simulação aplicada a casos reais: Trade-Off Modelar/Resolver; Validação dos Resultados Obtidos; Adaptação do Caso e da Geometria; e Resolução Numérica.
- Trade-Off: O que eu posso modelar e o que eu devo resolver?
Dada a natureza complexa de sistemas reais muitas vezes é necessário avaliar a situação de maneira que possam ser feitas simplificações de comportamentos particulares de um escoamento, como é o caso com efeitos de turbulência. A modelagem é uma aproximação da física real do problema, sendo assim é uma “troca” da precisão por resultados mais rápidos/importantes.
- Validação: O quanto posso confiar na minha simulação?
Em princípio todos os resultados agregados a partir de uma simulação devem ser avaliados e validados, seja por experimentos ou por casos similares da literatura. Este processo é de suma importância devido às simplificações necessárias, não havendo, portanto, nenhuma garantia prévia da precisão de uma simulação e qualquer resultado deve ser cuidadosamente questionado.
- Adaptação: Como devo simplificar o caso real?
Um dos maiores recursos da análise CFD é o tempo de simulação e para minimizar esse tempo quase todas as simulações são versões simplificadas de sistemas complexos. Simplificações na geometria como remoção de detalhes na superfície, ou do sistema como hipóteses isotérmicas ou de incompressibilidade dos fluidos se fazem muitas vezes necessárias para que o andamento do projeto original seja acompanhado pelos laboratórios de CFD. Estas simplificações se destacam do primeiro item desta lista pois normalmente buscam eliminar do sistema fatores cuja interação geraria influências praticamente desprezíveis, apesar de estarem relacionados a variáveis de interesse do problema.
- Resolução: Como posso avaliar a precisão da minha simulação?
Um dos princípios da análise CFD e de outras análises computacionais está na resolução de uma versão discretizada do espaço físico (em volumes para o caso dos métodos de volumes finitos e em elementos estruturais para o caso dos métodos de elementos finitos, por exemplo). Dessa maneira muitas vezes a mesma simulação é feita com graus de discretização diferentes (níveis de refino de malha) , de maneira que seja possível avaliar qual o nível de refino melhor representa o comportamento que se deseja capturar e interpretar na simulação, sem que seja necessário um nível de refino tamanho que a simulação se torne temporalmente inviável dado seu alto custo computacional.
Para encerrar este artigo, gostaria de recomendar algumas demais fontes de conhecimento no assunto, caso haja interesse do leitor. Primeiramente, a comunidade do fórum https://www.cfd-online.com/Forums/, por oferecer espaço de discussão voltado a integração e interação. Seguido de https://www.openfoam.com/documentation/guides/latest/doc/index.html, para quem tiver interesse em se aproximar por meio da aplicação OpenFOAM. E por fim, ao grupo/site http://www.wolfdynamics.com/ devido ao compartilhamento de conhecimento. Sendo assim, recomendo a todos os interessados também que pesquisem em outras fontes, pois há abundância de conhecimento e potencial.
Autor do artigo: Filipe Eduardo
Graduando em Engenharia Naval e Oceânica pela UFRJ
Membro da Equipe de Consultoria da Liga Naval