Fluidodinâmica Computacional (CFD)

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1 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).

2 COMO SÃO FEITAS AS PREVISÕES?
Física Modelo “exato” Matemática: métodos numéricos Soluções aproximadas CFD Computam as diferenças nos balanços de massa, momento e energia em um grande número de elementos de volume, nos quais o domínio do escoamento é subdividido; sistematicamente ajustam as respectivas variáveis do escoamento (temperatura, pressão, velocidades, etc) até os balanços serem atingidos em todos os volumes; apresentam e/ou imprimem os valores dos resultados.

3 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.

4 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.

5 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.

6 Grade e contorno de pressão Perfil de concentração de gases
Campo de velocidade num jato Campo de pressão num automóvel Grade e contorno de pressão numa cascada 2-D Perfil de concentração de gases

7 Cuidado com a mágica da CFD !
CFD não pode ser usado como uma “caixa-preta”! Corolário: CFD não é Color Fluid Dynamics! Previsões computacionais são baseadas em considerações, a Natureza não. Há necessidade de espírito crítico acentuado; conhecimento do fenômeno físico; conhecimento matemático; Verificação / VALIDAÇÃO de modelo.

8 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:

9 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.

10 Cada nível requer conhecimento BÁSICO de três áreas:
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: MÉTODOS NUMÉRICOS PACOTE & FORTRAN FUNDAMENTOS EM: MEC FLU & TRANS CAL Requer também muita prática, isto é, só se aprende fazendo.

11 THE ONE WEEK COURSE AND THE ‘S’ CURVE
HOW LONG DOES IT TAKE TO GET GOOD AT PHOENICS? 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” Stayed here for nearly 12 months! time knowledge THE ONE WEEK COURSE AND THE ‘S’ CURVE

12 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.

13 NUMERICAL EXPERIENCES...

14 WHAT IS THE MINIMUM KNOWLEDGE?
Natural phenomenon 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. Physical modeling Numerical schemes Software: PHOENICS Analyzing if the output makes sense Crunching number machine output

15 Softwares Comerciais de CFD
CFD codes list - commercial product: icemcfd.com/cfd/CFD_codes_c.html Pacotes comerciais que utilizam Volumes Finitos & FORTRAN Sites de Referência Referências em CFD

16 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

17 Professor Bryan Spalding

18 Desenvolvimento do Pacote
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 It differed from PHOENICS- 81 both in its input procedures and its range of applications; and it set the style for subsequent developments. Subsequent versions include: PHOENICS 1.4 of May 1987, PHOENICS 1.5 of October PHOENICS 1.6 of Spring 1991 PHOENICS of December PHOENICS 2.0 of December 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

19 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.

20 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.

21 Esquemático das Três Principais Funções do PHOENICS
NotePad PIL / FORTRAN MENU v 2.0 Virtual Reality v 3.0 VR VIEWER Satellite EARDAT q1 Earth GREX (ground examples) GRND (user code) Arquivos FORTRAN PHOTON AUTOPLOT RESULT PHI XYZ PÓS PROCESSAMENTO: Apresentação Resultados PRÉ PROCESSAMENTO:Definição Problema MAIN: simulação

22 Como se familiarizar com o PHOENICS?
POLIS - PHOENICS On Line Information System Lectures Tutorials Workshop Case Examples (System Lybrary) PHOENICS Encyclopedia

23 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- 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.

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25 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!

26 Outros Pacotes de CFD que utilizam Volumes Finitos
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