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Estudar a Fluidodinâmica Computacional (CFD) a partir de um

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Andrea Segatti

on 16 June 2014

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Transcript of Estudar a Fluidodinâmica Computacional (CFD) a partir de um

Geometria:

Processo de Criação da geometria:
Criação de pontos;
Criação de curvas;
Criação de superfícies;
Criação de sólido;
Edição de geometrias

Metodologia
Os principais caminhos da Metodologia Computacional - CFD
Condições de Contorno da Simulação
O estudo da mecânica dos fluidos;

O uso do computador em todos os aspectos da engenharia possibilita a solução das equações fundamentais de Mecânica dos Fluidos;

A simulação computacional de escoamentos de fluidos;

Introdução
Estudar a Fluidodinâmica Computacional (CFD) a partir de um Estudo de Caso: Analisar Critérios para Estimar a Qualidade de Agitação Utilizando Dois Impelidores Diferentes, “Rushton Turbine” e “PBT 45”
Eva Carolline Martins Oliveira & Mayara de Oliveira Maia Silva
Interpolação Blend Factor
Definição da Simulação – Física do Problema
Através do pacote computacional CFX-Pré
O limite estabelecido como critério de convergência corresponde a valores
RSM residuais
igual a
1E-05
.

Portanto considera-se que ocorreu convergência na simulação quando os resíduos dos balanços de massa, momento e energia encontram-se menores que valores aceitáveis durante o processo de solução numérica.

Parâmetros para Convergência
A Fluidodinâmica Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD)
Utilização da Ferramenta CFD e comparação experimental;

Predizer, visualizar e avaliar a maneira como fluidos podem se comportar;

Equações de Navier-Stokes;

Vantagens: Tempo, redução de riscos, energia, e baixo custo.

Objetivo Principal

O objetivo principal é ampliar o conhecimento na área de pesquisa Fluidodinâmica Computacional (CFD) a partir do software CFX-14.0 da ANSYS:
Detalhar as etapas principais para entendimento do CFD;
Obter maior domínio nas ferramentas do software a partir da simulação de um tanque de mistura com um impelidor radial (Rushton turbine).
 

Objetivo Específico

O objetivo específico corresponde ao Estudo de Caso: determinar se tanto o escalonamento Potência/Volume como Torque/Volume mantêm o nível de agitação necessário dentro do tanque para duas extrapolações, no volume de 10 vezes e no volume de 100 vezes, para dois impelidores diferentes, “PBT 45” e “Rushton turbine”, utilizando a Fluidodinâmica Computacional (CFD).

Objetivos
Geometrias
Simulação de um Tanque de Mistura:

Domínios – Estacionário ;
A geometria do tanque;
Dimensões do Tanque: Apresenta diâmetro e altura igual a 240 mm.

IMPELIDOR RUSHTON TURBINE

Domínios: Rotativo;
Pacote computacional Ansys Design Modeler;
Nova geometria: Impelidor Radial Rushton Turbine com 6 pás;
Dimensões do Impelidor: diâmetro de 80 mm; largura das pás de 16 mm, comprimentos das pás de 20 mm, diâmetro do disco de 53 mm.

Geometrias
Fator determinante no sucesso dos resultados;

Processo de geração da malha;

Diferentes formas geométricas, como: triangular, tetraédricas, elementos prismáticos e hexaédricos;

Classificação das malhas numéricas

Malhas
Malhas
Criação da Malha Numérica:

Escolha da Malha numérica
Pacote computacional ANSYS CFX meshing;
Considerações na criação da malha;
Diversos testes;
Utilização de importantes comandos como:

Inflation: Este recurso cria elementos de volume prismáticos na região normal às paredes.

Sizing: Permite definir o tamanho mínimo e máximo dos elementos em uma região pré-determinada, onde se deseja refinar.

Qualidade da Malha: parâmetros como: Skewness, Aspect Ratio, Elemento Quality.

Refinamento das Malhas
Malhas
Malha do Impelidor Tipo pás retas inclinadas a 45º (PBT 45)
Malha do Impelidor Tipo pás retas inclinadas a 45º (PBT 45)
Malha do Impelidor Rushton Turbine
Malha do Impelidor Rushton Turbine
Malha do Tanque
Malha do Tanque
O pacote computacional CFX-Solver Manager;
Pontos de Monitoramento;
Critérios de convergência.

Solução Computacional
Pós Processamento - Análises dos Resultados
O pacote computacional CFD-Post;

A apresentação dos resultados;

Análise
dos valores máximos e médios
do y+;

Criação de
perfis de velocidade em pontos diferentes no tanque para
Análise dos resultados.

Resultados
Objetivo Principal

O aprendizado no software a partir deste estudo de caso permitiu maior domínio nas ferramentas oferecidas pelo CFD.

Conseguiu-se modelar e simular um impelidor do tipo Rushton.

Resultados
Objetivo Específico

A análise dos resultados foi iniciada logo depois da etapa do CFX-Solver ser concluída.

CFX-Post
Verficar Y-plus
Desenhar linhas horizontais
Definir perfis de velocidade adimensional
Gerar gráficos


Representação das linhas onde foram feitas as comparações
Análise dos Gráficos
Dois métodos de escalonamento são estudados: potência/volume (P/V) e torque/volume (Tq/V).

Dois níveis de agitação para cada método:
P/V = 0,2 e P/V = 2,0.

Total= 24 simulações.

Comparação dos tanques piloto, o tanque extrapolado em 10 vezes e o tanque extrapolado em 100 vezes.

Gráficos
Gráficos
Conclusão
O trabalho descrito nesta monografia foi resultado de dois anos de atividades desenvolvidas no estudo da fluidodinâmica computacional. Muito foi aprendido e diversos foram os obstáculos superados no entendimento e aplicação dos métodos numéricos, modelos de turbulência, ferramentas computacionais, entre outros.

Cumpriu-se o objetivo principal desse trabalho, ampliar os conhecimentos na área de pesquisa Fluidodinâmica Computacional (CFD) a partir do software CFX-14.0 da ANSYS, obtendo-se um maior domínio nas ferramentas do software.



Conclusão
As diversas etapas que compreendem o software como, a criação da geometria com o pacote computacional Ansys Design Modeler, criação da malha numérica com o pacote computacional ANSYS CFX meshing, definição da simulação no CFX-Pré, solução computacional com CFX-Solver Manager, pós processamento com análises dos resultados no CFD-Post.

Ao todo somaram-se 24 simulações, que obedeceram aos critérios de convergência impostos previamente, e para todas foram realizadas as análises comparativas referentes ao tanque piloto, e aos extrapolados em 10 e 100 vezes, averiguando também os diferentes métodos de escalonamento empregados, tanto Potência/Volume como Torque/Volume, além de fazer a comparação entre os dois tipos de impelidores, tipo “PBT 45” e “Rushton turbine” com dois diferentes níveis de agitação, P/V= 0,2 e P/V= 2,0.

Conclusão
Para poder aplicar corretamente o CFD devem ser tomados alguns cuidados para que os resultados sejam os mais próximos possíveis de dados reais.

Conseguiu-se perceber que em ambos os impelidores, os critérios de escalonamento, P/V e Tq/V, mantiveram perfis de velocidade adimensional semelhantes.

O software CFX 14.0 da ANSYS, mostrou-se altamente eficiente e de grande valia no estudo da fluidodinâmica computacional.


Conclusão
Espera-se assim que este trabalho contribua para permitir que futuros trabalhos com a fluidodinâmica computacional sejam utilizados como ferramenta de pesquisa, projeto e avaliação de equipamentos de processos.


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