CDF Simulação de tanque hidráulico

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA DE CAD PARA ENGENHARIA I
DOCENTE: WILLIAM FERNANDES
DISCENTES:
DALTON LIMEIRA BARRETO DA SILVEIRA
EL HACHMY FEITOZA LAB
RODRIGO FERNANDES DE AZEVEDO
VITOR ARAUJO DE ALMEIDA
VITOR FERNANDES FERREIRA
SIMULAÇÃO DE TANQUE HIDRÁULICO UTILIZANDO FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL (CFD)
Natal
Maio/2018
Autores do artigo:
Martin Mocilan, Milan Zmindák, Peter Pechác, Peter Weis.
Universidade de Zilina – Faculdade de Engenharia Mecânica. Eslováquia, 2017.
Resumo
O objetivo deste artigo é a análise da dinâmica de fluidos em um tanque. O uso do CAD moderno e técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) na concepção e simulação de produtos industriais tem grande papel nas indústrias mecânica, automotiva e aeroespacial. Este artigo inclui todos os passos, desde o tratamento geométrico do CAD até a análise dos resultados da simulação. A abordagem apresentada envolveu a simplificação do CAD, compatibilização da geometria, simulação de CFD e análise dos resultados. Um estudo de caso de um tanque parcialmente preenchido com óleo hidráulico foi simulado neste artigo usando o modelo multifase de Volume de Fluido (VOF). Simulações compararam a amplitude de sloshing no tanque. Neste artigo, é apresentada uma parte do projeto que tem como objetivo desenvolver uma metodologia CAx para o desenvolvimento/projeção de tanques de combustível baseados em análises dinâmicas e estáticas.
Palavras-chave: CFD; Tanque de Combustível; Sloshing; Interação Fluido-Estrutural.
1. Introdução
O fenômeno de sloshing refere-se ao movimento da superfície líquida livre dentro de um tanque. Para estimar os efeitos de sloshing agindo no container, é necessário uma modelagem precisa das ondas de superfície livre. Através das últimas décadas, foi reconhecida a importância de se considerar a não linearidade das ondas de sloshing. Em termos da não linearidade da superfície livre, uma grande dificuldade é que as condições de fronteira da não linearidade total tem que ser satisfeitas nas superfícies livres não anteriormente conhecida. Aparentemente as melhores opções para a resolução do problema da não linearidade total são métodos numéricos.
No momento atual, métodos numéricos para problemas de superfície de onda são baseadas tanto nas equações de Navier-Stokes quanto na Teoria de Fluxo potencial. Devido às vantagens na eficiência e precisão, os métodos baseados no fluxo potencial – que assumem os fluidos como incompressíveis, invíscidos e sem rotação de fluxo - são muito popularmente usados em estudos do fenômeno sloshing. Para a simulação no domínio do tempo, um método baseado no fluxo potencial tem dois módulos chave: um é para resolver o Problema de Valor de Fronteira (BVP) da velocidade potencial e o outro é para a atualização da posição e das condições de fronteira. 
Nos últimos tempos, a análise CFD vem desempenhando um papel vital ao analisar os diferentes modelos de design e ajudando a economizar tempo e dinheiro ao erradicar a necessidade de construção vários protótipos na fase de concepção e de teste. Num fluxo multifásico, uma fase pode ser definida como uma classe identificável de material que tem uma resposta inercial particular e uma interação com o fluxo e o campo potencial no qual está imerso. Atualmente há duas abordagens para o cálculo numérico de fluxo multifásico: o de Euler-Lagrange e o Euler-Euler.
A formulação VOF em ANSYS FLUENT é geralmente usada para computar uma solução dependente do tempo, porém apenas para problemas com uma solução de estado contínuo; é possível realizar um cálculo de estado contínuo na qual a solução fornecida é independente da suposição inicial. No caso de um sistema formado por um vórtex com interface líquido-gasosa, a solução depende da altura inicial do líquido e consequentemente o método de solução transitória deve ser escolhido. 
2. Estudo computacional e condições de fronteira
O problema analisado consiste num tanque fechado, o qual é preenchido 65% com óleo hidráulico e os 35% restantes são preenchidos com ar. O volume total do tanque é de 0,203 m³, correspondendo assim o volume de óleo por 0,132m³. O tanque é feito de de aço com densidade de 7827kg/m³. A espessura da lâmina metálica é de 6mm.
O tanque é fixado em 8 locais, como pode ser visto na Fig. 1 Todos os graus de liberdade foram fixados nesses 8 locais. Estas condições de contorno foram usadas para análise estática e também análise FSI do tanque hidráulico.
	
Fig. 1: Modelo CAD do tanque hidráulico.
3. Análise estática do tanque hidráulico
A pressão hidrostática foi utilizada como carga durante a análise estática. A distribuição de pressão pode ser vista na figura 3. O modelo computacional de fluido não foi utilizado durante a análise estática. A abordagem envolveu a superfície livre em um ângulo de 45 graus. A distribuição da superfície livre pode ser vista na figura 2.
Fig. 2: A distribuição da superfície livre no tanque.
Fig. 3: Pressão hidrostática.
Os resultados da tensão da análise estrutural estática da superfície são apresentados na figura 4.
Fig. 4: Tensão resultante nas superfícies.
4. Interação da estrutura do fluido do tanque hidráulico
O problema analisado consistiu em um tanque hidráulico fechado que foi preenchido por 65% de óleo hidráulico e 35% de ar. O tanque estava em repouso no início da simulação e foi submetido a uma aceleração dependente do tempo em um período t = 2s. O objetivo foi encontrar a máxima tensão no tanque durante a aceleração. Modelo multifásico com duas fases foi utilizado. Uma fase foi o ar e a segunda fase foi o óleo hidráulico. O modelo multifásico de Volume do Fluido (VOF) em ANSYS FLUENTTM 12.0 foi usado para prever o movimento do combustível dentro do tanque quando o tanque estava sob movimento acelerado. O modelo VOF foi projetado para determinar a posição da interface entre dois ou mais fluidos imiscíveis. A fração de volume de cada um dos fluidos em cada célula computacional foi rastreado ao longo do domínio compartilhando um único conjunto de equações de Momento entre os fluidos. O modelo contou com o fato de que os fluidos não se interpenetravam. Os resultados da previsão da forma da superfície livre da simulação dinâmica no tempo t = 2s são representados na figura 5.
 
t = 0.5s 			 t = 1s 				t = 2s
Fig. 5: Interface líquida em várias etapas de tempo.
As tensões resultantes da simulação dinâmica no tempo t = 2s são representadas na figura 6.
Fig. 6: Tensões resultantes máxima em t = 2s.
5. Conclusão
Durante a solução do problema, a simulação do fluxo hidráulico de óleo no tanque provou ser um importante fator. Comparando os resultados da simulação estática e a interação da estrutura do fluido apontam que estes métodos produzem resultados diferentes. Para a análise estática, a máxima tensão (pressão) na superfície foi 63,87 MPa. A análise estática pode ser realizada usando um tempo computacional significamente menor que o FSI, no entanto, os resultados produzem tensões mais altas que não correspondem aos resultados do FSI. Usando somente a análise estática durante o projeto do tanque, isso pode levar a um projeto com grandes dimensões, que pode ser considerado como um desperdício e/ou indesejado. Na pesquisa adicional, outras diferentes configurações serão analisadas para otimizar o projeto do tanque reduzindo ainda mais a tensão e o fenômeno de sloshing.