A engenharia segue evoluindo continuamente, melhorando a forma como antes eram feitas as análises e os cálculos para iniciar projetos. Hoje, são utilizados aplicativos, sistemas, modelos computacionais, etc., garantindo maior eficiência nos processos.

As simulações em si já passaram por diversas otimizações no decorrer do tempo, acompanhando as mais altas tecnologias, incluindo, também, o ramo multifísico. O FSI – Interação Fluido-Estrutura – é um termo que, recorrentemente, aparece nas discussões desse assunto.

A seguir, será discutido sobre o que é a análise FSI e como ela é aplicada na indústria.

O que é análise FSI?

Em diversos cenários do contexto industrial é possível observar interações entre uma estrutura rígida e um fluido em escoamento. A análise da interação fluido-estrutura consiste na associação de leis que regem a dinâmica de fluidos com a mecânica envolvendo estruturas.

Para realizar uma análise FSI é necessário dominar os princípios e técnicas utilizados na análise por meio do método dos elementos finitos, FEM, e da fluidodinâmica computacional, CFD.

Confira nos links abaixo alguns dos textos contidos no Blog da Kot sobre esses temas:

• Para leigos: entenda o Método dos Elementos Finitos
• Compreendendo o Método dos Elementos Finitos (MEF)
• FEA versus FEM: Qual é o termo correto?
• Fluidodinâmica Computacional: a física e a matemática envolvidas nas análises de CFD
• Simulação CFD: conheça os principais usos na indústria
• Métodos dos elementos finitos, volumes finitos e elementos discretos: quais são as diferenças?

Em suma, essas interações podem ser observadas sob dois aspectos: o comportamento do fluido após encontrar a estrutura ou o comportamento da estrutura sob a ação do escoamento do fluido.

Considerando Interação Fluido-Estrutura em projeto e modelagem

Fluido pode ser definido como uma substância que deforma de forma contínua quando sujeita a um esforço cisalhante, independente da magnitude dessa força. [2]

Materiais a granel, quando encontram-se com altas taxas de umidade, podem apresentar comportamentos similares aos dos fluidos, como em um dos casos de sucesso da Kot. No estudo em questão, foi realizada uma análise FSI de um material granulado, muito úmido, armazenado em um silo. Nas condições avaliadas, o material acumula nas paredes do ativo até um ponto em que ocorre o desprendimento da massa que escoa para baixo, formando uma avalanche.

Essa avalanche avança em direção do alimentador de extração, não dimensionado para essa condição de alimentação, que sofre severos impactos, suficientes para colapsar sua estrutura metálica. A simulação mostrada no Vídeo 1 mostra o evento da análise.

Em outros processos, existem os misturadores industriais, que possuem partes móveis, e são considerados peças essencialmente rígidas que agitam um fluido, responsáveis por exemplo, pela incorporação de particulados em líquidos. Nesse contexto, a eficiência de mistura é a quantidade mais importante a ser computada.

Por outro lado, também é possível calcular as tensões nos agitadores. As estruturas sólidas podem ser tratadas como obstruções totalmente estacionárias no escoamento do fluido, com o objetivo de computar as tensões nos materiais sólidos.

Análise FSI e suas aplicações na indústria

Em diversos cenários das indústrias, o escoamento de fluidos, como ar e água, podem resultar em grandes esforços e tensões em estruturas. Essas resultantes, por sua vez, podem causar vibrações e deformações críticas nos corpos rígidos.

As análises FSI podem ser realizadas em diversos ativos industriais. Algumas das aplicações possíveis são:

• Análise dos efeitos gerados por vórtices em estruturas submersas, como comportas de barragem, tubulações, etc.;
• Análise de componentes aeroespaciais;
• Análise de componentes do ramo naval;
• Análise de componentes automotivos;
• Componentes de sistemas de agitação, como reatores, misturadores, espessadores, etc.;

Conclusão

As análises FSI possuem ampla aplicabilidade para o contexto industrial, com resultados que possibilitam o entendimento físico-matemático de efeitos não visíveis à olho nu. Como exemplo, é possível  listar o dimensionamento dos componentes de um sistema de agitação compatível com os esforços requeridos gerados pela movimentação do fluido ou o dimensionamento de estrutura capaz de resistir ao impacto de um fluido em escoamento.

Desse modo, torna-se possível conceber estruturas com maior esbeltez e menor custo, aumentar eficiência do processo (eficiência de agitação), mensurar a vida útil estimada dos ativos sob as condições operacionais em que ele está inserido, entre outros.

A Kot possui ampla experiência na área e pode auxiliar em seu negócio. Consulte nosso time de especialistas para avaliar as possibilidades de aplicação em seu contexto. 

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Referências:

[1] https://br.comsol.com/multiphysics/fluid-structure-interaction

[2] STREETER, V. L. Fluid Mechanics. 1951.

[3] Acervo Kot Engenharia.