A Fluidodinâmica Computacional, termo mais utilizado pela academia, também é conhecida pelo acrônimo CFD (Computational Fluid Dynamics). Ela permite a abordagem de problemas por via de simulação numérica aplicada a escoamentos de fluidos, transferência de calor e outros fenômenos correlatos. É uma área da Engenharia que vem se desenvolvendo constantemente, uma vez que sua aplicabilidade e potencial aumentam com a evolução dos recursos computacionais disponíveis. 

Para compreender a simulação por CFD deve-se conhecer, majoritariamente, duas grandes áreas: métodos numéricos e Termofluidodinâmica.

Métodos Numéricos

São métodos em que há aplicação de algoritmos para resolução de problemas matemáticos, como: equações algébricas, sistemas de equações lineares, interpolação e extrapolação, ajustar pontos sobre uma curva, equações diferenciais, etc.

Mecânica dos fluidos e a Termodinâmica

No agrupamento das ciências térmicas, estuda-se a mecânica dos fluidos, termodinâmica e transferência de calor. Tratando especificamente da mecânica dos fluidos, pode-se dizer que essa área do conhecimento estuda o comportamento dos fluidos dividido em duas categorias:

• fluidos em repouso, ou estática dos fluidos; 
• fluidos em movimento, ou dinâmica dos fluidos.

Baseada nessas categorias, a engenharia possui várias aplicações industriais de alta complexidade para a mecânica dos fluidos, mas que, ao mesmo tempo, se apresentam de forma muito simples no cotidiano da maioria das pessoas. Toda presença de movimento ocorre em algum tipo de fluido, seja o ar, a água ou outros fluidos mais específicos. Seguem alguns exemplos:

1. Fluxo de ar para arrefecimento de notebooks;
2. O ar que o ar condicionado joga sobre as pessoas em um auditório;
3. Abrir e fechar de válvulas hidráulicas de apartamentos;
4. O transporte de pessoas no ar com aviões ou pelo mar com navios;
5. Descarga em privadas. 

Até mesmo nas aplicações citadas, percebe-se que o estudo da mecânica dos fluidos está intimamente ligado às disciplinas de termodinâmica e transferência de calor. Tomando como exemplo um sistema de refrigeração, o fluido de trabalho, também chamado de refrigerante, é usado para a transferência de calor de uma região mais fria para uma mais quente. Portanto, a análise CFD abrange a aplicação de todas as ciências térmicas para o estudo dos fluidos. Para conhecer mais sobre a Termodinâmica, veja este artigo.

Matemática por trás do CFD

Como há de se esperar, os fluidos obedecem às leis fundamentais da física no que se diz respeito à conservação de massa, quantidade de movimento e energia. Essas leis fundamentais nos levam às equações da continuidade, da energia e de Navier-Stokes. Essa trinca é comumente chamada de equações de Navier-Stokes, um conjunto de equações compostas por derivadas parciais que descrevem o comportamento dos fluidos. Em escoamentos simples, as equações de Navier-Stokes podem ser reduzidas a outras que permitem soluções analíticas, por exemplo, as equações de fluido de Bernoulli.

Entretanto, grande parte dos casos reais de engenharia não envolvem escoamentos simples. Sendo assim, na Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) ocorre a substituição de geometrias complexas por milhares (até milhões) de elementos conhecidos e dos sistemas de equações diferenciais parciais por um conjunto de equações algébricas aproximadas. 

Na grande maioria dos softwares utilizados nessas simulações é utilizado o método dos volumes finitos. Assim, cada célula pode ser vista como um pequeno volume de controle no qual as versões discretizadas das equações são resolvidas. Em outras situações, uma análise bidimensional pode ser mais prática e eficiente, utilizando pequenas áreas como células.

Simulações por CFD

Tomando como base o conhecimento físico e matemático mencionado, diversos softwares disponíveis no mercado podem ser utilizados para chegar aos resultados desejados. É possível obter distribuições de velocidade, pressão e temperatura de um fluido em uma tubulação; analisar forças aero e hidrodinâmicas atuantes sobre um prédio; quantificar o calor perdido por equipamentos em uma planta industrial; entre diversas outras aplicações.

Figura 1: Simulação de pressão e velocidade em região de turbulência – FONTE: Acervo Kot.

Mais do que simular o comportamento de um fluido, é essencial interpretar corretamente os seus resultados. A simulação por CFD pode ser utilizada em diversos casos onde a experimentação possa ser infactível ou onde os custos para modelos em escala real sejam proibitivos. É uma técnica de simulação que necessita de know-how para que as análises gerem bons resultados com baixos custos computacionais.

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FAQ

1. Quais são as duas grandes áreas do conhecimento que fundamentam a simulação CFD?

A simulação por CFD sustenta-se em dois pilares teóricos interdisciplinares:

• Métodos Numéricos: Aplicação de algoritmos matemáticos para resolver problemas que não possuem solução analítica direta (sistemas de equações algébricas, equações diferenciais, interpolações e aproximações de curvas);

• Termofluidodinâmica: Integração entre estática e dinâmica dos fluidos, termodinâmica e transferência de calor, que descrevem o comportamento do meio contínuo sob a ação de forças e trocas energéticas.

2. Por que equações simples como a de Bernoulli não resolvem a maioria dos problemas industriais?

A Equação de Bernoulli é uma simplificação analítica válida apenas para escoamentos ideais (incompressíveis, não viscosos, irrotacionais e em regime permanente ao longo de uma linha de corrente). Problemas reais da engenharia envolvem turbulência, geometrias tridimensionais complexas, variação de densidade e viscosidade, além de trocas térmicas, o que invalida simplificações analíticas e exige o uso de métodos numéricos discretizados como o CFD.

3. Como o Método dos Volumes Finitos (FVM) viabiliza a solução computacional?

O FVM divide o domínio do fluido em milhares ou milhões de pequenas células contíguas chamadas volumes de controle (VCs). Em cada volume de controle:

• As equações diferenciais parciais de Navier-Stokes são integradas sobre a superfície e volume da célula;

• As derivadas são convertidas em equações algébricas aproximadas;

• O software resolve o sistema linear global resultante para calcular variáveis como pressão (p), velocidade (u) e temperatura (T) em cada nó da malha.

4. Quais são os exemplos práticos do dia a dia e da indústria onde a termofluidodinâmica atua?

As ciências térmicas e fluídicas estão presentes em aplicações cotidianas e em plantas industriais pesadas:

Aplicação	Fenômeno Predominante	Grandeza Avaliada em CFD
Sistemas de Arrefecimento (Notebooks/Eletrônicos)	Convecção forçada e transferência de calor	Distribuição de temperatura e velocidade do ar
HVAC e Climatização de Ambientes	MIST (Mistura e circulação de ar)	Conforto térmico, linhas de fluxo e renovação do ar
Tubulações Industriais e Válvulas	Perda de carga e dinâmica de pressão	Cavitação, perda de pressão e cavidades de estagnação
Aero e Hidrodinâmica (Aviões/Navios/Prédios)	Escoamento externo e arrasto	Forças de sustentação, arrasto aerodinâmico e turbulência

5. Por que o know-how técnico do engenheiro é indispensável na simulação CFD?

Embora os softwares de CFD processem cálculos complexos, a qualidade e confiabilidade do resultado dependem exclusivamente da modelagem correta feita pelo especialista. Um analista experiente é necessário para:

• Escolher a física adequada (modelos de turbulência, compressibilidade, multifase);

• Garantir a convergência e qualidade da malha sem estourar o custo computacional;

• Identificar e corrigir erros de discretização ou condições de contorno irrealistas;

• Interpretar os resultados físicos com senso crítico, distinguindo soluções numéricas válidas de artefatos computacionais.

Referências:

[1] ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M. Mecânica dos fluidos: fundamentos e aplicações. AMGH Editora, 2012.