Os fluidos (líquidos e gases) estão presentes na grande maioria dos processos industriais. Nesse cenário, as simulações com softwares CFD são uma forma bastante útil para estudar fenômenos envolvendo fluidos.
Mas o que é CFD ?
A sigla CFD tem origem inglesa e quer dizer “Dinâmica de Fluidos Computacional”. Também conhecida como fluidodinâmica computacional, ela é responsável pela análise de sistemas que envolvem escoamento de fluidos, transferência de calor, reações químicas, entre outros fenômenos, com o uso de simulação computacional.
A Dinâmica de Fluidos Computacional pode ser entendida como a união de duas áreas do conhecimento: a mecânica de fluidos e o cálculo numérico.
Além dessas duas áreas, os usuários dos softwares CFD também precisam dominar conceitos de computação de alto desempenho, uma vez que as simulações geralmente apresentam um custo computacional elevado.
Como são feitas as simulações CFD ?
As simulações com programas CFD apresentam de forma geral três etapas.
Na etapa de pré-processamento, na qual o problema é configurado, define-se a região de estudo (domínio), são geradas a geometria e a malha (discretização do domínio) do problema, são definidos vários parâmetros físicos e numéricos, etc.
Na segunda etapa é feita a simulação em si, com a solução das equações que descrevem a dinâmica dos fluidos, obtendo-se os valores de velocidade, pressão, temperatura e outras variáveis de interesse.
Nessa etapa, uma vez que o volume de cálculos a serem feitos é elevado, geralmente divide-se o problema em partes menores que são resolvidas ao mesmo tempo. Esse processo é chamado de paralelização.
Por fim, na etapa de pós-processamento, avalia-se a coerência dos resultados obtidos e extraem-se aqueles relevantes para o problema em questão, construindo gráficos e tabelas para facilitar a análise.
Quais são os principais softwares CFD ?
Os softwares CFD podem ser comerciais (pagos) ou livres (gratuitos). Ainda existem aqueles que permitem realizar algumas atividades de forma gratuita e oferecem a opção de pagar parar utilizar as demais funcionalidades.
Dentre os programas comerciais, os mais conhecidos são o Fluent e CFX, ambos da empresa Ansys, e o Star-CCM+ da Siemens.
O software CFD livre mais utilizado é o OpenFOAM. Além de ser gratuito, o OpenFOAM apresenta código aberto, permitindo que os usuários acessem as modelagens já implementadas no programa e introduzam outras, de acordo com a necessidade.
Softwares comerciais x Softwares livres
Os programas comerciais são conhecidos por apresentarem interfaces gráficas do usuário (GUIs) amigáveis, facilitando o acesso ao mesmo. Eles também são bastante otimizados e validados, tornando seu uso confiável.
Por outro lado, as licenças desses programas têm um custo elevado. Segundo um estudo de 2014, o valor da licença pode variar entre 10 e 50 mil dólares ao ano.
Os softwares livres em geral apresentam uma interface gráfica não tão amigável quanto a dos comerciais. Alguns deles nem têm interface gráfica, fazendo com que o usuário precise modificar os arquivos de interesse diretamente na fonte.
Em contrapartida, os softwares livres que também são de código aberto permitem um total conhecimento da modelagem que está dentro do programa, uma vez que o usuário tem acesso ao código fonte.
Isso possibilita que ele modifique partes do programa de forma a melhorá-lo, diferente dos programas comerciais, que muitas vezes são tratados como caixas pretas.
É interessante mencionar que a comunidade de usuários de programas livres é extremamente ativa, fazendo que tais programas estejam em constante desenvolvimento.
Aplicações dos softwares CFD
Uma pesquisa com usuários de programas CFD de várias partes do mundo feita pela Resolved Analytics mostrou, entre outras coisas, as principais aplicações da Dinâmica de Fluidos Computacional na indústria.
Nessa pesquisa, o ramo que apresentou o maior percentual de usuários foi o automotivo. E esses usuários tinham um tempo médio de experiência com tais programas de 10 anos ou mais.
Na aplicação automotiva, tem-se o interesse, além de várias outras coisas, no cálculo da força de arrasto à qual o carro é submetido. Ao obter um design do carro tal que minimize essa força, o consumo de combustível é diminuído.
Além dos aspectos aerodinâmicos, também é possível estudar aspectos térmicos como a combustão no motor, aquecimento de componentes, etc.
Outros ramos da indústria que utilizam programas CFD são o aeroespacial e o de energia. Vários avanços no estudo de CFD foram alcançados devido à solução de problemas do setor aeroespacial, considerado um setor de ponta.
O setor de energia também utiliza os programas CFD nas mais diversas áreas. Tanto para estimar efeitos aerodinâmicos em turbinas eólicas, como para estimar temperatura em vasos de reatores nucleares, vazão em centrais hidrelétricas, etc.
Outros setores que usam simulações CFD em estudos são o de maquinários industriais, eletrônica, farmacêutico, etc. No setor de eletrônica, por exemplo, é bastante comum estudar o aquecimento de processadores.
Vantagens de se utilizar softwares CFD
Concluindo, tomando como exemplo o setor automotivo, se o objetivo de um projeto fosse obter um design aerodinâmico e não fosse possível fazer simulações computacionais, seria preciso construir vários protótipos de carros para o estudo.
Além disso, com as simulações, as modificações nos protótipos poderiam ser feitas “com alguns cliques”. Dessa forma, o número de protótipos que precisariam ser construídos seria reduzido, dado que as simulações demonstrariam o baixo desempenho de alguns deles.
Por último, o uso de softwares CFD também ajuda a reduzir o tempo de desenvolvimento de um produto e, ao identificar falhas nas fases iniciais do projeto, nas quais o custo de alteração é mais baixo, o custo do projeto é reduzido consideravelmente.
