Fluidodinâmica Computacional (CFD) CFD (Computational Fluid Dynamics), como é comumente conhecida a fluidodinâmica computacional, fornece previsões quantitativas.

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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? 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. Física Modelo “exato” Matemática: métodos numéricos Soluções aproximadas CFD

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 Campo de pressão num automóvelCampo de velocidade num jato 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! 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.

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 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. MÉTODOS NUMÉRICOS PACOTE & FORTRAN FUNDAMENTOS EM: MEC FLU & TRANS CAL

11 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 knowledge Stayed here for nearly 12 months! HOW LONG DOES IT TAKE TO GET GOOD AT PHOENICS?

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? 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 Crunching number machine Physical modeling Numerical schemes Software: PHOENICS

15 Softwares Comerciais de CFD www.fluent.com/ www.cfdrc.com/ Referências em CFD http://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

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 http://www.cham.co.uk/

17 Professor Bryan Spalding

18 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.

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

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- 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.

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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 www.fluent.com/ www.cfdrc.com/ http://www.flow3d.com/# http://www.ansys.com/Products/cfx.asp OPEN FOAM http://www.openfoam.com/