Fluidodinâmica Computacional (CFD)
CFD (Computational Fluid Dynamics), como é comumente conhecida a fluidodinâmica computacional, fornece previsões quantitativas do fenômeno de escoamento de fluidos, que ocorrem sob condições definidas em termos de:
•Geometria (forma e tamanho do domínio, entradas e saídas, blocos);•Propriedades dos fluidos (viscosidade, densidade, cond.térmica, …);•Condições iniciais (quando o escoamento é dependente do tempo);•Condições de contorno (especificações de entrada e saída de massa,
momento e energia no domínio da simulação).
Aspectos Positivos
• Simulações são freqüentemente mais baratas e mais rapidamente produzidas que método de “tentativa & erro”;
• permitem que os parâmetros fornecidos sejam facilmente variados em uma larga faixa, simplificando a otimização e o projeto de equipamentos e evitando transtornos operacionais;
• evitam a necessidade de emprego de técnicas de scale-up;
• podem fornecer informações mais detalhadas do que as possíveis de serem obtidas através de medidas;
• permitem a investigação de situações de risco que não podem ser reproduzidas ou geradas (aplicação na Análise de Riscos), como por exemplo: explosões, falhas em processos nucleares, desastres ecológicos, etc.
Aspectos não-Positivos
Os resultados de CFD não são 100% realistas. Isto porque:
• por razões econômicas, são normalmente utilizados poucos instantes de tempo e porções do espaço na simulação;
• os dados de entrada (geometria, propriedades do fluido) normalmente são aproximados;
• as condições iniciais e de contorno representam a situação real muito cruamente;
• o escoamento pode envolver fenômenos (turbulência, radiação ou escoamento multifásico) que ainda não são perfeitamente representados pelas atuais teorias científicas;
• limitações dos métodos numéricos.
Aplicações de CFD
CFD consiste em utilizar métodos computacionais para a predição quantitativa das características de escoamentos, incluindo:
transferência de calor;
transferência de massa (difusão, dissolução);
mudança de fase (fusão, solidificação, ebulição, condensação);
reações químicas (combustão, oxidação);
aspectos mecânicos (movimento de pistões, hélices, palhetas);
tensões e deslocamento de sólidos imersos ou circundantes.
Campo de pressão num automóvelCampo de velocidade num jato
Grade e contorno de pressãonuma cascada 2-D Perfil de concentração de gases
Cuidado com a mágica da CFD !
CFD não pode ser usado como uma “caixa-preta”!
Corolário: CFD não é Color Fluid Dynamics!
• Há necessidade de espírito crítico acentuado;
• conhecimento do fenômeno físico;
• conhecimento matemático;
• Verificação / VALIDAÇÃO de modelo.
Previsões computacionais são baseadas em considerações, a Natureza não.
COMMENTS
• VR is almost self-explained, the icon language helps a lot the students to get used with the PHOENICS environment.
• Some times there are ‘over-shuts’. The beginners over optimism turn in a excess of self confidence: they already can do any thing with the package:
OBJETIVOS DO CURSO
Dar uma introdução à Mecânica dos Fluidos Computacional por meio da utilização do pacote comercial PHOENICS, através disto o curso pretende:
• Familiarizar o aluno no PHOENICS dando capacidade de formular problemas simples;
• Introduzir conceitos básicos de métodos numéricos;
• Rever alguns conceitos básicos de mecânica dos fluidos e transferência de calor;
• Apresentar a linguagem FORTRAN;
CONCLUINDO: este curso não é o fim mas o começo para quem pretende ser introduzido numa área nova e com grande demanda de pessoas.
COMO APRENDER CFD?
• O aprendizado se dá em níveis que são desenvolvido ao longo de anos de experiência.
• Cada nível requer conhecimento BÁSICO de três áreas:
• Requer também muita prática, isto é, só se aprende fazendo.
MÉTODOSNUMÉRICOS
PACOTE& FORTRAN
FUNDAMENTOS EM:
MEC FLU &TRANS CAL
THE ONE WEEK COURSE AND THE ‘S’ CURVE
• The five day training was quite challenging to a person who never heard about PHOENICS!
• Some advice when there are so much information: “let PHOENICS shovel into you”
time
know
ledg
eStayed here for
nearly 12 months!
HOW LONG DOES IT TAKE TO GET GOOD AT PHOENICS?
MAKING UP TO THE ONE-WEEK COURSE
• After a period of one year I realized that what was said about PHOENICS was enough for a start.
• I also concluded: to learn PHOENICS is necessary to put the hands on.
• With a minimum knowledge to walk around within PHOENICS you start make your own ‘numerical experiences’: I think it should work this way. Does it work the way I though?
• Every affirmative answer is another brick on the wall.
NUMERICAL EXPERIENCES...
WHAT IS THE MINIMUM KNOWLEDGE?
• It is quite difficult to draw a dividing line between the software and the human interface.
• They are strongly coupled and interplay at all stages of the process
• Therefore to get acquaintance with PHOENICS is necessary to have fundamental knowledge on the 3 topics within the triangle.
Natural phenomenon
output
Analyzing if the output
makes sense
Analyzing if the output
makes sense
Crunching number machine
Physical modeling
Numerical schemes
Software:PHOENICS
Softwares Comerciais de CFD
www.fluent.com/www.cfdrc.com/
Referências em CFDhttp://ad-www.larc.nasa.gov/tsab/cfdlarc/
http://www.flow3d.com/#
• CFD codes list - commercial product: icemcfd.com/cfd/CFD_codes_c.html
• Pacotes comerciais que utilizam Volumes Finitos & FORTRAN
http://www.ansys.com/Products/cfx.asp
http://www.cfd-online.com
• Sites de Referência
O que é o PHOENICS:
PHOENICS é uma sigla que significa: Parabolic, Hiperbolic and Elliptic Numerical Integration Code Series ;
Ele surgiu das ‘cinzas’ de diversos códigos anteriores dedicados a problemas específicos;
Ele é um código geral para simular escoamentos monofásicos ou bifásicos, tranferência de calor e massa, fenômenos de reações químicas e interações fluido e sólido
http://www.cham.co.uk/
Professor Bryan Spalding
Desenvolvimento do Pacote
• Subsequent versions include:
• PHOENICS 1.4 of May 1987,
• PHOENICS 1.5 of October 1989
• PHOENICS 1.6 of Spring 1991
• PHOENICS 1.6.6 of December 1992
• PHOENICS 2.0 of December 1993
• PHOENICS 2.1 of December 1994
• PHOENICS 2.2 of January 1996,
• PHOENICS 3.0 of December 1998
• PHOENICS 3.1 and 3.2 during 1999
• PHOENICS 3.2 year 2000.
• PHOENICS 3.5 year 2002.
• PHOENICS 3.6 year 2004.
• PHOENICS 2006.
Versions of PHOENICS
• PHOENICS-81 with subsequent minor updates, has been available since 1981, and is still in use.
• PHOENICS-84 was issued at the end of 1984. It differed from PHOENICS- 81 both in its input procedures and its range of applications; and it set the style for subsequent developments.
Informações Quantitativas do PHOENICS
• PHOENICS is written in standard ANSI FORTRAN 77 for maximum portability.
• PHOENICS contains approximately 110,000 statements, arranged in about 2000 subroutines.
•The EARTH program occupies about 1 megabyte of (32-bit-word) memory depending on the user-selected problem size.
• PHOENICS is operational on most main-frame, mini-computers and
• work-stations including: Cray, DEC, Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics, Sun and several parallel-processor computers.
• Personal-computer versions are increasingly popular.
Estrutura Geral de Arquivos
• PHOENICS has a ‘planetary’ arrangement, with a central core of subroutines called EARTH, and a
• SATELLITE program, which accepts inputs through the Virtual Reality (VR) interface or otherwise, which correspond to a particular flow simulation.
• EARTH and SATELLITE are distinct programs.
• SATELLITE is a data-preparation program; it writes a data file which EARTH reads.
• PHOENICS users work mainly with SATELLITE, but they can access EARTH also in controlled ways.
• GROUND is the EARTH subroutine which users access when incorporating special features of their own.
Esquemático das Três Principais Funções do PHOENICS
PHOTON
AUTOPLOT
RESULTPHIXYZ
PÓS PROCESSAMENTO:
Apresentação Resultados
Satellite EARDAT
q1
Earth
GREX(ground examples)
GRND(user code)
ArquivosFORTRAN
PRÉ PROCESSAMENTO:Definição Problema MAIN: simulação
VR VIEWERVirtual Realityv 3.0
MENUv 2.0
NotePadPIL /
FORTRAN
Como se familiarizar com o PHOENICS?
POLIS - PHOENICS On Line Information System
• Lectures
• Tutorials
• Workshop
• Case Examples (System Lybrary)
• PHOENICS Encyclopedia
POLÍTICA DE USO
• Quem comprou o PHOENICS? A CPG-FEM por meio de um processo licitatório.
• Quem forneceu o software? A CHAM por intermédio de seu representante no Brasil, CHEMTECH- www.chemtech.com.br.
• Qual é o tipo de licença? Acadêmica, isto é, não pode ser utilizada para fins comerciais. Existe um termo de compromisso assinado e pode ser utilizado judicialmente.
• Em quantas máquinas pode ser instalado? Em quantas quiserem. A licença não tem limite para o número de usuários desde que sejam da FEM.
• Por quanto tempo vale a versão 3.3 adquirida? A licença é perpétua.
• Como solicitar instalação? As solicitações devem ser em grupo, se possível. Cada grupo de máquinas terá um código de grupo fornecido pela CHAM. Ele será solicitado pela FEM diretamente à CHAM. As máquinas deverão pertencer à FEM e estarem fisicamente presentes na FEM. Uma vez com o ‘unlocking string’ o SIFEM procederá a instalação.
• Qual é o perfil da máquina? Pentium III com no mínimo 128 MB de RAM. Windows 95/98 ou NT. Deverá também ser instalado o Compac FORTRAN.
WELCOME to POLIS, the PHOENICS On-LineInformation System
Short cutsAbout PHOENICS
About PHOENICS 3.3How to: buy, learn, runDocumentation .............Applications .................Encyclopaedia ..............CHAM and its ServicesPHOENICS Chronicle
And about POLISWeb-site
PHOENICS SOURCES OF INFORMATION
• PHOENICS Encyclopedia• Documentation – TRs
– Download for class use:• Starting with PHOENICS-VR; TR 324
• The PHOENICS-VR reference guide; TR 326
• Material properties in PHOENICS; TR 004
• In-Form; TR 003
• Tutorials – self learning tips
– It will be used in class #3 thru #8• PHOENICS FORUM – CFD online
– If everything goes wrong try the forum; maybe somebody with a similar problem will help you!
Outros Pacotes de CFD que utilizam Volumes Finitos
www.fluent.com/
www.cfdrc.com/
http://www.flow3d.com/#
http://www.ansys.com/Products/cfx.asp
OPEN FOAMhttp://www.openfoam.com/