simulação CFD

Simulação CFD: conheça os principais usos na indústria

Tempo de leitura: 4 minutos

Originária do início da década de 1960, a Fluidodinâmica Computacional, também conhecida como CFD (Computational Fluid Dynamics), começou a ser mais utilizada ao longo da década de 1990, devido ao desenvolvimento da tecnologia computacional nos últimos anos.

O método é realizado a partir da união de cálculos numéricos e das leis da termofluidodinâmica.

Sendo assim, o CFD utiliza simulações numéricas para analisar sistemas que possuem escoamento de fluidos, transferência de calor e outros fenômenos relacionados.

Quais são os passos para fazer uma simulação CFD?

Normalmente, uma simulação com programas matemáticos utilizando a metodologia CFD possui três etapas: pré-processamento, simulação e pós-processamento.

Pré-processamento

No pré-processamento, são definidos os parâmetros: região de estudo (domínio), geometria e malha do problema (discretização do domínio), critérios físicos e numéricos, entre outros.

Simulação CFD

Na simulação, ocorre a resolução das equações que descrevem a dinâmica dos fluidos. Assim, é possível conseguir os valores das variáveis de interesse, como velocidade, pressão e temperatura.

A simulação apenas é possível devido à discretização do fluido, geralmente pelo método dos volumes finitos. Ele permite que as equações de Navier-Stokes sejam resolvidas para obtenção do resultado desejado.

Pós-processamento

Por último, no pós-processamento, é necessário analisar se o resultado alcançado é coerente. Nessa etapa, são extraídos os dados relevantes, que podem ser convertidos em gráficos e tabelas para facilitar o estudo do sistema. 

Nesta fase, é essencial a utilização dos conhecimentos aprendidos durante a vida acadêmica e profissional de quem está realizando a análise, principalmente em disciplinas da termofluidodinâmica.

O CFD permite a visualização da distribuição do fluido no que se refere à variável desejada, de diferentes formas. No caso exemplificado na Figura 1, obteve-se tanto o perfil de velocidades de um fluido dentro de uma câmara de combustão, quanto as linhas de fluxo. 

Também é possível simular o escoamento por meio de vídeos tridimensionais e observar pontos críticos de operação de um sistema.

Figura 1: Perfil de velocidades de fluido X linhas de fluxo dentro de câmara de combustão. (Acervo da KOT Engenharia)

Quais são as principais aplicações do CFD na indústria?

A Resolved Analytics realizou uma pesquisa com 624 pessoas que utilizam programas CFD. A partir desses dados, foi possível observar em quais áreas da indústria a Fluidodinâmica Computacional é mais aplicada.

O setor automotivo registrou o maior percentual de usuários, com 20%. Seguido pelo setor de serviços de engenharia, com 18%. Em terceiro e quarto lugares, vieram os setores de energia e aeroespacial, com 10%.

Figura 2: Principais áreas da indústria em que o CFD é aplicado. Fonte: https://www.resolvedanalytics.com/cfd-user-survey-results

Para as áreas citadas, veja possíveis aplicações do CFD:

  • Projetos de veículos: buscando desempenho máximo e menor custo para veículos terrestres, marítimos e aeronáuticos;
  • Projetos de usinas de potência: com o objetivo de obter níveis elevados de eficiência e poucos poluentes; 
  • Projetos e operações de reatores;
  • Estudos de fenômenos de fluxo de fluidos em tubulações;
  • Análises e otimizações de indústrias que utilizam o aquecimento ou resfriamento em equipamentos de processo.

Também vale destacar o aumento da utilização de CFD em aplicações biomédicas. Sua aplicação para o estudo do escoamento de fluidos no corpo humano é uma tendência e pode apresentar um crescimento considerável ao longo dos próximos anos.

Um grande exemplo de aplicação do CFD na área automobilística, e realizado pela KOT, é a modelagem aerodinâmica de protótipo de corrida com o objetivo de desenvolver uma asa traseira para aumento de downforce. Com o projeto da configuração da asa pronto, foi possível simular e o resultado foi o incremento dos valores de downforce em 75%.

Figura 3: Simulação aerodinâmica em protótipo de corrida. (Acervo da KOT Engenharia). 

Outra situação interessante é o estudo termofluidodinâmico de equipamento que faz parte de um sistema de despoeiramento. Esse estudo da KOT foi baseado na análise do comportamento do fluxo de água no interior do circuito de tubos para resfriamento e na distribuição de temperatura e pressão na tubulação. Por fim, foram comparadas as diferentes taxas de transferência de calor entre fluidos e estrutura. 

Figura 4: Distribuição de temperatura ao longo da tubulação. (Acervo da KOT Engenharia).

Entretanto, não se deve limitar as aplicações às principais indústrias. A fluidodinâmica computacional pode ser utilizada em projetos e análises dos mais diversos setores que envolvem o manuseio de fluidos.

Por que utilizar ferramentas CFD?

A opção de utilização de softwares CFD pode facilitar, e muito, o desenvolvimento de novos projetos que utilizam calor e fluidos no seu processo produtivo, bem como servir para a obtenção de soluções para estes processos. Isso porque, sem as simulações computacionais, seria necessário construir vários protótipos para análise, o que tornaria essa Engenharia mais custosa e demorada.

A Fluidodinâmica Computacional permite, a partir da alteração de parâmetros, a execução de testes em cenários diversos. Assim, é possível verificar quais apresentariam baixa performance e encontrar o cenário ideal com mais facilidade. Com isso, é construído o protótipo somente dos modelos em que foi conseguido um bom desempenho.

Além disso, a construção de protótipos pode ser inviável do ponto de vista financeiro ou de difícil acesso, dependendo do sistema analisado. Não é o caso da fluidodinâmica computacional. O uso de ferramentas de CFD permite analisar fenômenos que ocorrem em espaços internos e confinados, onde uma visualização do fenômeno estudado em um modelo físico não seria possível ou de custo muito elevado.

Tudo isso possibilita uma redução de tempo gasto no projeto, graças a identificação de falhas logo no início. Também reduz custos, pois, conforme explicado anteriormente, fazer alterações na simulação é mais barato do que construir um novo protótipo.

Não apenas em projetos, o CFD também é essencial na verificação da operação de sistemas existentes. Entupimentos, temperaturas elevadas, altas pressões, baixos rendimentos são problemas corriqueiros nas indústrias, e a causa deles pode ser identificada por meio de simulações. Encontrar soluções para esses casos é primordial para evitar colapsos em um sistema ou quebras de produção.

Para saber mais sobre Fluidodinâmica Computacional e suas aplicações, acesse o site da KOT Engenharia. 

Aender Ferreira

Técnico em Mecânica pelo CEFET-MG, Engenheiro Mecânico/Aeronáutico pela UFMG e Mestre em projetos mecânicos pela mesma universidade. Antes da graduação, teve experiências nos setores de mineração, manutenção, projeto, engenharia experimental e indústria automotiva. Como Engenheiro, iniciou sua carreira em montadora aeronáutica realizando atividades de cálculo para fadiga em componentes e estruturas aeronáuticas. Posteriormente foi convidado a compor o corpo Diretor da KOT Engenharia, atuando no setor comercial da empresa, exercendo o cargo há quase 15 anos.

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