A engenharia segue evoluindo continuamente, melhorando a forma como antes eram feitas as análises e os cálculos para iniciar projetos. Atualmente, 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, dessa forma, as mais altas tecnologias, incluindo, também, o ramo multifísico. Nesse contexto, 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 geral, em diversos cenários do contexto industrial é possível observar interações entre uma estrutura rígida e um fluido em escoamento. Nesse sentido, a análise da interação fluido-estrutura consiste na associação de leis que regem a dinâmica de fluidos com a mecânica envolvendo estruturas.
Além disso, 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:
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 se encontram 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. Nessas condições, o material acumula nas paredes do ativo até um ponto em que ocorre o desprendimento da massa que escoa para baixo, formando uma avalanche.
Consequentemente, essa avalanche avança em direção ao 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.
Vídeo 1: Análise FSI de uma avalanche de silo. [3]
Por outro lado, 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, sobretudo, a quantidade mais importante a ser computada.
Adicionalmente, 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.
Além disso, as análises FSI podem ser realizadas em diversos ativos industriais. Algumas das aplicações possíveis são:
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- Análise dos efeitos gerados por vórtices em estruturas submersas, como comportas de barragem, tubulações, etc.;
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- Análise de componentes aeroespaciais;
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- Análise de componentes do ramo naval;
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- Análise de componentes automotivos;
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- Componentes de sistemas de agitação, como reatores, misturadores, espessadores, etc.;
Conclusão
Em suma, 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 nossa equipe para avaliar as possibilidades de aplicação em seu contexto.
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FAQ
1. O que é a Análise FSI e por que ela é chamada de engenharia “multifísica”?
A análise FSI é uma metodologia computacional que estuda a relação de dependência mútua entre a mecânica dos fluidos e a mecânica das estruturas. Ela é considerada multifísica porque resolve dois domínios da física ao mesmo tempo:
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A Física dos Fluidos: Regida pelas equações de conservação de massa e quantidade de movimento (Navier-Stokes);
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A Física dos Sólidos: Regida pelas leis de elasticidade, plasticidade e resistência dos materiais.
Em problemas tradicionais, calcula-se a força do fluido isoladamente e depois a aplica-se como uma carga estática na estrutura. No FSI, as duas físicas interagem continuamente: a força do fluido deforma a estrutura e a nova geometria deformada altera o caminho do fluido em tempo real.
2. Qual é a diferença prática entre CFD, FEM e FSI?
A tabela a seguir resume o foco e a aplicação de cada uma dessas tecnologias computacionais:
| Metodologia | Foco Principal | Exemplo de Aplicação |
| CFD (Computational Fluid Dynamics) | Estudar apenas o movimento, pressão, velocidade e temperatura dos fluidos (líquidos e gases). | Avaliar a perda de carga em tubulações ou a eficiência de mistura em um tanque. |
| FEM / MEF (Finite Element Method) | Estudar apenas as tensões, deformações e deslocamentos em corpos sólidos e rígidos. | Verificar a resistência estática ou de fadiga do chassis de um veículo. |
| FSI (Fluid-Structure Interaction) | Estudar o impacto mútuo e dinâmico entre o escoamento do fluido e a estrutura sólida. | Simular o impacto do fluxo de minério úmido sobre as chapas de um alimentador. |
3. Como um material granel úmido (como minério de ferro) pode exigir uma análise FSI em silos?
Materiais a granel com elevado teor de umidade perdem suas características puramente granulares e passam a se comportar de forma análoga a fluidos viscosos ou pastosos.
Em silos, o minério úmido pode se aderir às paredes e formar grandes blocos suspensos. Quando ocorre o descolamento repentino dessa massa, gera-se o fenômeno conhecido como avalanche no silo. O impacto dinâmico dessa “massa fluidizada” despencando em alta velocidade sobre o alimentador de extração cria picos de tensão transientessíssimos que não são previstos por cálculos estáticos convencionais, frequentemente levando à dobragem ou ao colapso total da estrutura metálica do alimentador.
4. Como a simulação FSI é aplicada em misturadores e agitadores industriais?
Em reatores e tanques de agitação, o FSI desempenha um duplo papel fundamental:
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Eficiência de Processo: Avalia a capacidade das pás (impellers) em homogeneizar os particulados e líquidos sem gerar zonas mortas de escoamento;
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Integridade Mecânica: Calcula o torque e a resistência hidráulica oposta pelo fluido contra as pás rotativas. A análise identifica os picos de tensão de flexão no eixo e nas pás do agitador, prevenindo falhas por fadiga mecânica prematura decorrentes da turbulência do fluido.
5. O que são Vórtices e como o FSI previne a Vibração Induzida por Escoamento (VIV)?
Quando um fluido (ar ou água) passa por uma estrutura tubular ou cilíndrica (como tubulações submersas, pilares de pontes ou comportas de barragens), ele forma esteiras de vórtices alternados na parte posterior da estrutura (conhecidas como Esteiras de Von Kármán).
Esses vórtices geram forças de sucção periódicas que fazem a estrutura oscilar transversalmente. Se a frequência de desprendimento desses vórtices coincidir com a frequência natural da estrutura, ocorre o fenômeno de ressonância ou Vibração Induzida por Vórtice (VIV). A análise FSI permite prever esse fenômeno e redesenhar a geometria da estrutura antes da sua instalação em campo.
6. Quais são as principais vantagens operacionais de investir em análises FSI na fase de projeto?
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Otimização de Peso e Custo: Permite projetar estruturas mais esbeltas e leves sem comprometer a segurança, eliminando o superdimensionamento genérico;
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Prevenção de Falhas Ocultas: Revela modos de falha dinâmicos não lineares que ferramentas isoladas de CFD ou FEM não conseguem detectar;
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Aumento da Vida Útil de Ativos: Estima com precisão a vida em fadiga de componentes sujeitos a cargas fluidodinâmicas oscilantes;
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Redução de Paradas Não Programadas: Garante a confiabilidade operacional contínua em ativos críticos expostos a condições operacionais extremas.
Referências:
[1] https://br.comsol.com/multiphysics/fluid-structure-interaction
[2] STREETER, V. L. Fluid Mechanics. 1951.
[3] Acervo Kot Engenharia.
