Fluidodinâmica Aplicada a Processos Químicos
Novembro - 2004
Carlos Eduardo Fontes Claudio Patrício Ribeiro Jr. Luiz Fernando L. R. Silva Ricardo C. Rodrigues Programa de Engenharia Química COPPE/UFRJ
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Estrutura
O que é CFD? Porque usar CFD? Onde CFD é usada? Visão Geral de CFD – – – – – – –
Computational Fluid Dynamics
Descrição da Geometria Especificação das Condições de Escoamento Seleção dos Modelos Discretização e Geração de Malha Especificação dos Parâmetros Numéricos Solução do Escoamento Pós-Processamento: Análise e Visualização
Software e Recursos
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O que é CFD?
O que é CFD e qual seu objetivo? –
Baseada na teoria de FENÔMENOS DE TRANSPORTE.
–
Simulação computacional para predição dos fenômenos de escoamento. Física do problema (Existe Tranf. Calor, Reação Química?). Modelos adequados ao problema (Eq. da Energia, Eq. de Transf. Massa, Eq. Termodinâmico). Métodos Numéricos. Visualização da Solução. Exemplo de Projeto
–
O objetivo de CFD é modelar fluidos contínuos com Equações Diferenciais Parciais (PDEs), discretizar as PDEs transformandoas em um sistema algébrico, resolvendo-o, validando e encontrando uma simulação baseada na geometria.
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O que é CFD? FENÔMENOS DE TRANSPORTE Condução
Transmissão de energia partícula para partícula através de colisões Não há transporte das partículas – somente transmissão de propriedade
Fenômenos Simultâneos (Momento, Massa e Calor)
Convecção
Propriedade propagada mediante o transporte de matéria (deslocamento de partículas) Convecção só se processa em meios fluidos (líquidos e gases)
Equações Diferencias Parciais (EDP)
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O que é CFD? FENÔMENOS DE TRANSPORTE
Eq. da Continuidade
∂ρ ∂ (ρv x ) ∂ (ρv y ) ∂ (ρv z ) + =0 + + ∂x ∂z ∂t ∂y
ϕ(t)
z
Transferência de Massa
∂N x ∂N y ∂N z ∂c =R + + + ∂z ∂t ∂x ∂y Transferência de Calor
∂q x ∂q y ∂q z ∂T ∂T ∂T ∂T ˆ ρCv + Φv + vz =− + vy + + + vx ∂z ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂t Transferência de Momento (direção x)
∂v y ∂ 2vx ∂ 2vx ∂ 2vx ∂v x ∂vx ∂p ∂v z + 2 + 2 + ρg x =− +µ ρ + vx + vy + vz 2 ∂x ∂x ∂y ∂z ∂t ∂z ∂x ∂y
y x
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Porque usar CFD? Fenômenos de Transporte
Fluidodinâmica Teórica (AFD)
– hipóteses simples – solução analítica
Fluidodinâmica Experimental (EFD)
– túnel de vento – tanque de ondas – experimentos em campo aberto
Fluidodinâmica Computacional (CFD)
– algoritmos numéricos – computação – visualização gráfica e animações
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Fluidodinâmica Experimental (EFD) Escoamento turbulento sobre esfera
Rastro deixado pelo escoamento sobre asa de um jato
Equipamento a laser para aferição Miniatura de jato para teste em túnel de vento
Escoamento sobre um banco de tubos
Escoamento sobre carro em túnel de água
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Fluidodinâmica Experimental (EFD) Escoamento Escoamento turbulento turbulento sobre sobre esfera esfera
Rastro Rastro deixado deixado pelo pelo escoamento escoamento sobre sobre asa asa de de um um jato jato
Equipamento Equipamento aa laser laser para para aferição aferição Miniatura Miniatura de de jato jato para para teste teste em em túnel túnel de de vento vento
Agitação com fluido não newtoniano
Escoamento Escoamento sobre sobre um um banco banco de de tubos tubos
Escoamento Escoamento sobre sobre carro carro em em túnel túnel de de água água
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Porque usar CFD?
Simulação baseada na geometria virtual ao invés de “construção & teste” – Menor custo e redução significante no tempo de
obtenção de resultados – Resultados em CFD possuem alta fidelidade com banco de dados de campo de escoamento por EFD
Simulação dos fenômenos de escoamento que possuem aferição experimental complicada – Simulações de escala (navios e aviões em grande
escala) – Situação de risco (explosões, radiação, poluição) – Situação física (previsão do tempo, camada limite planetária, evolução estelar)
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Porque usar CFD?
Conhecimento e exploração da física do escoamento Vantagens de CFD CFD complementa EFD e AFD – Simulação real de escoamento com baixo custo – Fornece informações mais detalhadas – CFD tem maior efetividade e menor custo que testes em túnel de vento –
Limitações de CFD Modelos físicos (CC e CI, não newtoniano, turbulência, etc.) – Modelos Geométricos (detalhamento, robustez) – Detalhes Numéricos (convergência, estabilidade, resolução numérica) –
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Onde CFD é usada?
Aeroespacial Segurança Automotivo Biomédico Processos Químicos Hidráulica Naval Óleo & Gás Geração de Energia Esportes
Perfil de velocidade no casco de navio
Linhas de corrente para ventilação em uma câmara
Esc. de óleo lubrificante sobre uma broca
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Onde CFD é usada? Aeroespacial Propulsores de foguete Combustão
Ariane 5 Perfil de velocidade
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Onde CFD é usada? Segurança
Teste de colisão
Acidente de avião Zona de pressão
Deformação de ponte Cálculo Aerodinâmico na ponte Rio-Niterói
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Onde CFD é usada? Automotivo
Linhas de corrente Moto de corrida
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Onde CFD é usada? Biomédico
Temperatura e convecção natural em aquecimento por laser no olho.
Tensão cisalhante pelo fluxo sanguíneo na aorta
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Misturadores Trocadores de calor Separadores Polimerização Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos – – – – – Torre Spray
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Misturadores Trocadores de calor Separadores Polimerização Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos – – – – –
Perfil velocidade no impelidor
Trajetória de partícula em misturador
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Misturadores Trocadores de calor Separadores Polimerização Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos – – – – –
Tanque de Resfriamento Contorno de temperatura
Trocador Casco-tubo Perfil de velocidade
TAC – Perfil de velocidade
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Misturadores – Trocadores de calor – Separadores – Polimerização – Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos
– Fração de gás em um separador
Ciclones 3D
2D
Leito vibratório à vácuo
Separação de partículas usando ciclones
com entrada de ar
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Misturadores Trocadores de calor Separadores – Polimerização – Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos – – –
Polimerização em reator
Injeção em molde
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Onde CFD é usada? Processos Químicos Escoamento na válvula
Misturadores Trocadores de calor Separadores Polimerização – Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos – – – –
Escoamento dentro de uma bomba
Escoamento sobre torres de refrigeração
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Onde CFD é usada? Processos Químicos
Ascensão de bolhas
Misturadores Pluma em–uma coluna de–água Trocadores de
Trocadores de calor Separadores Polimerização Escoamento em planta e equipamentos – Processos Multifásicos
– – – –
4 mm
5 mm
6 mm
9 mm
20 mm
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Onde CFD é usada? Esportes
Perfil de velocidade sobre a bola
Escoamento sobre a mão
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Visão Geral de CFD
Descrição da Geometria Especificação das Condições de Escoamento (propriedades físicas, cond. contorno e inicial) Seleção dos Modelos Discretização e Geração de Malha Especificação dos Parâmetros Numéricos Solução do Escoamento Pós-Processamento: Análise e Visualização
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Visão Geral de CFD
Descrição da Geometria
Simplificações e hipóteses Integração com ferramentas CAD: uso de programas padrões como AutoCAD, Parasolid, ACIS, STEP ou IGES Desenhos de Engenharia Coordenadas em sistema Cartesiano (x,y,z), cilíndrico (r, , z) e esférico (r, , )
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Visão Geral de CFD
Condições de Escoamento e Seleção de Modelos
Cada modelo ten seus parâmetros específicos – Escoamento transiente ou estacionário? – Escoamento laminar ou turbulento? Fluido newtoniano? Diversos modelos para turbulência e fluido não newtoniano
– Sistema Isotérmico? Tem radiação? Afeta as reações? Eq. de balanço de energia
– Escoamento Multifásico? cavitação, ebulição, particulados Modelos para esc. homogêneo e dois-fluidos
– Tem reação química? É multicomponente? Termo de reação na eq. de TM. Efeitos multicomponente
Seleção dos modelos e parâmetros requer experiência
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Visão Geral de CFD Discretização – Métodos Numéricos Condição Auxiliares (inicial/contorno)
Equações Diferenciais Parciais
Discretização
Solver Sistema de Matricial Equações Algébricas
Diferenças Finitas Volumes Finitos Número finito Função Elementos Finitos de valores contínua em Espectrais nodais todos os pontos discretos Geração de Malha!
Solução Numérica
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Visão Geral de CFD
Geração de Malha
Função contínua em todos os pontos!!
Eq. Fenômenos de Transporte
Métodos Numéricos
o
Função discretizada e é jmax válidas em todos os nós!! j+1 j Forma um sistema de j-1 equações algébricas
A⋅x = b
o
x ∆x
∆y
i-1 i i+1
imax x
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Visão Geral de CFD
Geração de Malha
Malha pode ser estruturada (hexaédrica) ou não-estruturada (tetraédrica). Depende do método de discretização e aplicação
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Visão Geral de CFD
Geração de Malha
Malha adaptativa
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Visão Geral de CFD
Parâmetros Numéricos e Solução do Escoamento
Partindo de uma estimativa inicial de x, a solução de A.x = b é obtida por um processo iterativo de convergência O resíduo das equações deve ser menor que o estipulado na simulação
Solução convergida, resíduos não mudam depois de algumas iterações
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Visão Geral de CFD
Pós-Processamento
Análise e Visualização – Propriedades calculadas em cada ponto – Cálculo das variáveis correlatas (fluxo,
vorticidade, tensão superficial,etc.) – Visualização Simple X-Y plots Contorno 2D Simples Contorno 3D Vetores e linhas de corrente Animações (várias figuras em série mostradas continuamente)
Vetor velocidade
Contorno de Pressão
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Software e Recursos
Softwares de CFD são construídos com base no problema físico, nos modelos apropriados e nos métodos numéricos Maiores informações sobre CFD: – CFD Online: http://www.cfd-online.com/ – Software de CFD FLUENT: http://www.fluent.com/ Computational Dynamics: http://www.cd.co.uk/ PHOENICS: http://www.cham.co.uk/ CFX/AEA: http://www.software.aeat.com/cfx/ – Software de Geração de Malha Gridgen: http://www.pointwise.com/ GridPro: http://www.gridpro.com/ – Software de Visualização Tecplot: http://www.amtec.com/ Fieldview: http://www.ilight.com/software/