aula_1_Introdução_CFD_aplicacoes - ALUNO

Prévia do material em texto

Introdução Simulação CAE-CFD aplicações
Caxias do Sul, Brasil
Outubro, 2018
Prof. Vagner Abramchuk
Apresentação
10+ anos de experiência na área de engenharia
• 4+ anos na FCA – Engenheiro Senior - Powertrain virtual (CAE-CFD) na FIAT CHRYSLER 
AUTOMOBILES. (Engine Thermal Analysis, Cooling Circuits P-Q curves; Steady State Pump Performance, Engine 
Breathing Simulation, ... )
• 2+ anos na Universidade Devry Pernambuco – Professor na área de Fluido dinâmica
• 6+ anos de experiência na empresa Comil Ônibus S.A: Desenvolvimento de novos produtos / 
Engenheiro calculista.
Formação:
• Engenharia Mecânica; UPF, Brasil, 2010
• Especialização em simulação de fluidos sobre corpos robustos – FEMTO Ciências aplicadas - ITA
• M.S Engenharia Mecânica na área de Fenômenos de Transporte; UFRGS, Brasil, 2013
• Ph.D. Engenharia Mecânica na área de Energia (in progress) - UFPE
Vagner Abramchuk
PWT CAE Engineer
3D Thermal & Flow Analysis
paralelo
E-mail: vagnerabram@gmail.com
Agenda
� Simulação CAE-CFD FCA
� Introdução ao CFD
� O que é CFD 3D/1D
� Quando devemos utilizar Simulação CAE
� Melhor solução de aplicação
� Exemplos de Aplicação
Solução 
aproximada do
problema!
O que é Simulação? O que é CAE?
Operações com propósito de”imitar” um processo ou operação do mundo real
Modelo Físico
Modelo 
Matemático (CAD)
Modelo 
Computacional (CAE)
Inicio do CAE - Estrutural
Aeronave Comet em1954.
Boing 747 em 1988
Modo de falha mais comum em estruturas ou peças de 
máquinas durante condições normais de operação. 
Inicio do CAE - CFD
Vibração aeroelástica causado pelo 
vento a 68 km/h
A Evolução dos computadores
A Soluções analíticas destes problema somente ocorreu com a evolução dos computadores
A Evolução dos computadores
Moore's law e suas teorias...
CFD 3D/1D
Modelo físico
Modelo matemático 
Modelo computacional
Solução aproximada do problema!
Estudo numérico combinado de diversos fenômenos de transporte, entre os 
quais se inclui transporte de momentum, é chamado:
CFD
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
A base da fluidodinâmica
Mecânica
dos Fluidos
Cálculo
Numérico CFD
+ =
• 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;
Utilizando métodos
computacionais para a
predição quantitativa das
características de
escoamentos.
CAE CFD 1D – O que é?
Modelo Matemático
CAD
Modelo Matemático
discretizado CAD
Modelo Computacional
CAE CFD 1D 
CFD 1D Aplicação em Motores
70%
80%
90%
100%
10
00
20
00
30
00
40
00
50
00
60
00
E
F
 [%
]
Rotação (rpm)
Banco 420 vvt OTM
Banco 420 vvt0
Etorq_EVO_vvt0_420_120712.gtm
Etorq_EVO_420_DOHC_130712.gtm
Etorq_EVO_420_DOHC_menos5_130712.gtm
Etorq_EVO_420_SOHC_mais5_otimizado_Fase_190712.gtm
Etorq_EVO_420_SOHC_mais5_OTM_Fase_20712.gtm
Etorq_EVO_420_SOHC_Mastrangelo_240712.gtm
Etorq_EVO_420_DOHC_mais5_130712.gtm
CFD 1D Aplicação em Motores
Etorq EVO - Estudos de otimização do eixo comando; Cruzamento de válvulas e VVT 
CFD 1D Aplicação Veículo Completo
Driver
Transmission
C513
Clutch
0
50
100
0 1000 2000 3000 4000
V
e
h
ic
le
 
S
p
e
e
d
 [
k
m
/h
]
Time [s]
EPA Combined Cycle
Torque load
Clutch
PositionGear 
Idle control
ESS control
Cut off control
ICE ECU
Accelerator Pedal 
position
Engine speed
Dynamic
engine model
Vehicle
Speed
Brake position
Target vehicle speed
Fiat Argo
CFD 1D Aplicação Veículo Completo
IN
P
U
T
S
O
U
T
P
U
T
S
IN
P
U
T
S
O
U
T
P
U
T
S
Ferramentas X Tempo Resposta
O que devemos 
utilizar?
Que requisitos devem 
ser considerados?
� Mesmo com a evolução da computação.
É sempre conveniente avaliar qual
melhor caminho para solucionar o meu
problema de engenharia?
Porque e quando utilizar CFD 3D?
Quando o local de interesse é de 
difícil acesso
Quando o ensaio experimental tem
elevado custo e é necessário reduzir
o espaço de amostras a analisar.
As equações de Navier-Stokes
A equação de Bernoulli
As equações de Navier-Stokes
• Desenvolvidas no século XVII
• Contém toda informação a respeito de qualquer tipo de escoamento
• Não possuem solução analítica até hoje!
As equações de Navier-StokesA equação de Bernoulli
As equações de Navier-Stokes
A partir do modelo físico construiu-se um modelo matemático.
Newton (~1700) já havia desenvolvido métodos numéricos.
Não existia, porém, recursos para a solução 
destes problemas
Através da simplificação das equações completas, 
formularam-se simplificações que funcionavam muito 
bem com determinadas classes de escoamentos.
Soluções analíticas reduzidas
Qual deve ser 
o design?
Esse design
funcionará?
Por que esse design
não funciona?
Não existe mais “desculpas”
CFD substitui o ensaio experimental?
CFD substitui o ensaio experimental?
As análises baseadas em CFD nunca são totalmente confiáveis, porque:
•os dados de entrada podem incluir demasiadas estimativas ou inexatidões;
•os recursos computacionais disponíveis podem ser insuficientes para a obtenção
de resultados com a necessária exatidão (situação bastante frequente);
•a base de conhecimentos científicos sobre o problema pode ser inadequada
( isto também é frequente).
A confiabilidade é maior:
•para escoamentos laminares do que para escoamentos turbulentos;
•para escoamentos em uma fase do que para escoamentos multifásicos;
•para problemas quimicamente inertes do que para situações envolvendo
materiais reativos;
•para uma única reação química do que para múltiplas reações, apesar de ser
amplamente utilizada em motores de combustão interna;
•para fluidos simples (Newtonianos) do que para fluidos de composição complexa
(não Newtonianos).
“CFD está sendo crescentemente utilizada em projeto, porque as
incertezas resultantes do seu uso estão cada vez menores. “
Quem, inicialmente, alavancou o 
desenvolvimento de CFD?
Aprox. no ano de 1930
Qual foi a necessidade ?
Inúmeras informações devem ser processadas
Na indústria aeronáutica – Predição de formação de gelo em superfícies
Quem, inicialmente, alavancou o 
desenvolvimento de CFD?
Exemplos de aplicações de CFD
Na indústria aeronáutica – Predição da degradação da performance aerodinâmica
Quem, inicialmente, alavancou o 
desenvolvimento de CFD?
Exemplos de aplicações de CFD
Na indústria aeronáutica – Redução de arrasto
Quem, inicialmente, alavancou o 
desenvolvimento de CFD?
A evolução no desenvolvimento de aeronaves
confiabilidadeconfiabilidade
Fases de desenvolvimento na FCA
Seleção de conceito
Validação Preliminar
Validação Final
Validação Processo
Início de Produção
Fluxo de Analises / Exemplo Mapa Térmico
CFD 1D Aplicação em Motores
CFD 1D Aplicação em Motores
Aplicação: Mapa Térmico 3D Motor
FEM 3D – Durabilidade do Motor
FEM 3D – Durabilidade do Motor
Problemas de Manufatura
Condition
Obstruction 
region
Pressure Drop 
(% higher than 
nominal model)
Head Block
Temperature 
referencia
Temperature 
(°C higher than 
nominal model)
Temperature 
reference 
(model 
nominal) 
Temperature 
(°C higher than 
nominal model)
1 B 1.03% 180°C 12 115°C 10
2 A 1.14% 150°C 13 115°C 7
3 D 9.17% 130°C 13 160°C 20
4 A/B 3.38% 110°C 10 125°C 12
5 C 6.10% 230°C 48 135°C 25
Gasket Holes Fixing holes
Cyl 1
Direcionamento 
utilizando CFD 3D
Delta T
Problemas de Manufatura
Aplicação: Indústria automotiva
Veículo com menor 
impacto ambiental
Veículo com menor 
impacto ambiental
Menor consumo 
de combustível
Menor consumo 
de combustível Fonte: G. Sovran and M.S. Bohn
Distribuição de pressão
0,374 0,372
0,375
0,348
0,337
0,348 0,354
0,357
0,322
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
C
o
e
fi
ci
e
n
te
 d
e
 a
rr
a
st
o
 t
o
ta
l 
-
C
D
Número de Elementos
CD (coeficiente de arrasto total 2°ordem) k-epsilon.NX™-FLOW
CD (coeficiente de arrasto total 2°ordem) k-epsilon. ANSYS™CFX