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APOSTILA: INTRODUÇÃO À FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL

Professora: Morgana de Vasconcellos Vasconcellos Araújo Bolsista da CAPES Mestranda dodo PPGEQ Doutoranda PPGEP e-mail: [email protected]

Campina Grande, Abril de 2014.

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Introdução à fluidodinâmica computacional

Morgana de Vasconcellos Vasconcellos Araújo

Conteúdo 1. CRIAÇÃO DE GEOMETRIAS ......................................................................................... 3 1.1. Conexão tubular 2 D - geometria ..................................................................................... 3 1.2. Tubo 3 D – metodol metodologia ogia I................................... I.................................................... .................................. .................................. ........................... .......... 7 1.3. Tubo 3 D – metodol metodologia ogia II ................................. .................................................. .................................. .................................. ........................... .......... 9 2. MALHA TETRAÉDRICA ............................................................................................... 11 2.1. Tubo 3 D – malha malha tetraédrica ........................................................................................ 11 3. MALHA HEXAÉDRICA ................................................................................................ 14 3.1. Conexão tubular 2 D – malha malha hexaédrica ....................................................................... 14 3.2. Tubo 3 D – malha malha hexaédrica ........................................................................................ 17 4. CFX-Pre....... CFX-Pre....................... .................................. ................................... .................................. .................................. ................................... ............................... ............. 20 4.1. Ajuste do caso com tubo 3D .......................................................................................... 20 5. CFX-Solv CFX-Solver er................................. .................................................. ................................... .................................. .................................. .................................. ................ 24 6. CFX-Post CFX-Post .................................. .................................................. .................................. ................................... .................................. .................................. ..................... 25

2


Morgana de Vasconcellos Araújo

1. CRIAÇÃO DE GEOMETRIAS 1.1. Conexão tubular 2 D - geometria Criaremos a figura a seguir:

1º passo: criar os pontos Antes de mais nada veja as seguintes configurações: Settings > Selection > O modo Auto pick deve estar OFF Settings > Geometry Options > O nome new geometry deve estar ON Settings > Geometry Options > Inherit Part name > Create new deve ser alternado para ON   

A cada ponto que vai criando, o software vai nomeando. Exemplo: Point00, Point01, Point02. Caso haja necessidade pode-se mudar os nomes de cada ponto. Observe que se eu venho na sequência Point05, Point06, Point07 e resolvo apagar o Point07, o próximo ponto criado será o Point08 ao invés do Point07 novamente. 



Selecione Geometry Create Point > Explicit Coordinates > Selecione Create 1 Point . Em Part name escreva POINTS . Deixe as coordenadas em (0 0 0) como na figura ao lado e clique em Apply para criar o ponto. Vá até o display contendo a árvore de opções no canto central esquerdo e com o botão direito clique em Points > Show Point Names .

3





Crie todos os pontos a seguir:

Point01 Point02 Point03 Point04

(32; 0; 0) (0; 16; 0) (32; 16; 0) (48; 32; 0)

Point05 Point06 Point07 Point08

(48; 64; 0) (64; 32; 0) (64; 64; 0) (50; -5; 0)

Point09 Point10 Point11 Point12 Point13

(54; -5; 0) (16; 32; 0) (0; 32; 0) (50; 16; 0) (54; 16; 0)

Os pontos devem estar posicionados da maneira:

Pressione Dismiss para fechar a janela. Para visualizar todos os pontos vá no ícone de utilidades e clique em Fit Window . Vá ao ícone de utilidades e clique no ícone , clique em Find Location e em seguida no ponto que deseja saber a localização, mas se acaso desejas saber a distância entre os pontos, ao invés de clicar em Find Location selecione Measure Distance

e selecione dois pontos.

2º passo: criação das linhas



Geometry

> Create Modify Curve

> From

Points: 

selecione a opção From Points Ao lado de Part escreva Curve. Para selecionar os



pontos, clique em (ícone de seleção de pontos) e selecione POINT00 e POINT01 com o botão esquerdo do mouse. Pressione o botão do meio do mouse para aceitar os pontos. Crie as curvas a seguir:

CURVE01 a partir de POINT00 e POINT02 CURVE02 a partir de POINT02 e POINT03 CURVE03 a partir de POINT04 e POINT05 CURVE04 a partir de POINT05 e POINT07

CURVE05 a partir de POINT06 e POINT07 CURVE06 a partir de POINT08 e POINT09 CURVE07 a partir de POINT08 e POINT12 CURVE08 a partir de POINT09 e POINT13 4



3º passo: criação de arco 





Geometry > Create/Modify Curves

> Selecione Arc

para abrir a janela.

Clique em (ícone de seleção de pontos) e com o botão esquerdo do mouse selecione POINT04, POINT03 e POINT10. Pressione o botão do meio do mouse para aceitar os pontos. Pressione Apply e teremos a CURVE10. Faça o mesmo para os pontos POINT06, POINT01 e POINT11 e teremos a CURVE11 Pressione Dimiss para fechar a janela. Teremos:

4º passo: interseção curva-curva 

Selecione Geometry Create Point

> Curve-curve

. Em Part selecione POINTS. Selecione como botão esquerdo as curvas CURVE10 e CURVE07. Clique no botão do meio do mouse para aceitar a seleção. A gap tolerance deve ser 0,1. Pressione Apply. Repita o procedimento para as curvas CURVE10 e CURVE08. Intersection

5º passo: segmentação de curvas em pontos existentes 





> Create/Modify Curves > Selecione Segment curve . Em Part selecione CURVES. Com o botão esquerdo do mouse clique no ícone selecione a CURVE10. No ícone selecione o POINT01. Clique com o botão do meio do mouse para confirmar a seleção. Após pressionar Apply, a CURVE10 deve ser dividida em duas curvas, CURVE10 e CURVE11. Faça o mesmo procedimento: CURVE09 e POINT03  teremos CURVE09 e CURVE12; o o CURVE07 e POINT14  teremos CURVE07 e CURVE13; o CURVE08 e POINT15  teremos CURVE08 e CURVE14. Teremos: Geometry

5



6º passo: exclusão das entidades não usadas 



 

Para abrir a janela de deletar curvas: Geometry > Delete Curve

;

Selecione o ícone e as curvas CURVE11, CURVE12, CURVE13 e CURVE14. Pressione com o botão do meio do mouse para confirmar a ação e pressione Apply para deletar as curvas selecionadas; Para abrir a janela de deletar pontos: Geometry > Delete Points ; Selecione o ícone e os pontos POINT10, POINT11, POINT12 e POINT13. Pressione com o botão do meio do mouse para confirmar a ação e pressione Apply para deletar os pontos selecionados;

7º passo: criação do ponto material   

Geometry > Create Body > Material Point Em Part name escreva BODY;

> Centroid of 2 points;

Com o botão esquerdo do mouse clique no ícone e selecione os pontos POINT01 e POINT03. Pressione com o botão do meio do mouse para confirmar a ação e pressione Apply para criar o ponto material.

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8º passo: salvar a geometria 

File > Geometry > Save Geometry As: digite o nome Save para salvar o arquivo da geometria.

Geo_2DPipe.tin e pressione

1.2. Tubo 3 D – metodologia I 1° passo: criar pontos  





Abra o ICEM CFD: Geometry > Create Point : Crie os pontos: Crie os pontos: (0; 5; 0), (0; -5; 0), (0; 0; 5), (0; 0; -5), (1000; 5; 0), (1000; -5; 0), (1000; 0; 5) e (1000; 0; -5). Vá até o display contendo a árvore de opções no canto central esquerdo e com o botão direito clique em Points > Show Point Names . Os pontos irão aparecer como na figura abaixo:

2º passo: criar curvas  

  

 



Clique em Geometry > Create/Modify Curve ; Mude o nome da parte para curve e clique em Arc e para Method selecione a opção From 3 Points; Selecione os pontos: pnt. 00; pnt. 02 e pnt. 01 Clique em Apply. Faça o mesmo para os conjuntos de pontos: pnt. 00; pnt. 03 e pnt. 01 ; pnt. 04; pnt. 06 e pnt. 05 e pnt. 04; pnt. 07 e pnt. 05. Saia da opção Arc e clique na opção from points ; Selecione os pontos: pnt. 01 e pnt. 05, clique com o botão do meio do mouse na área de trabalho do ANSYS e clique em apply. Teremos:

7



Na árvore, clique com o botão direito em Point e desative a opção Show Point Names; Ainda na árvore, clique com o botão direito em Curves e selecione Show Curve Names;





3º passo: criar superfície Para criar a superfície clique em Geometry >



Create/Modify Surface

;

Mude o nome da parte para surface, para a opção method selecione From 2-4 curves; Escolha a opção Simple Surface; Selecione as curvas: crv. 00 e crv. 01, clique com o botão do meio do mouse na área de trabalho do ANSYS e clique em apply. Faça a mesma coisa com as curvas crv. 02 e crv. 03; Para melhor visualizar as superfícies, clique em na ávore em surface com o botão direito e selecione solid ; Clique novamente em surface na opção transparent ;



 







Mude para Curve Driven ; Na opção Driving curve escolha a curva: crv. 04 Na opção Driven curves escolha as curvas: crv. 00, crv. 01, crv. 02 e crv. 03, clique com o botão do meio do mouse e clique em apply. O tubo está feito Na árvore, clique com o botão direito em Curves e desative a opção Show Curves Names; Logo temos a figura abaixo:

  






File > Geometry > Save Geometry As: digite o nome pressione Save para salvar o arquivo da geometria.

Tubo3D-ModI.tin e

8



1.3. Tubo 3 D – metodologia II 1º passo: criar pontos  

Abra o ICEM CFD: Geometry > Create Point : Crie os pontos: Crie os pontos: (0; 0; 0) e (1000; 0; 0);

2º passo: criar superfície   

Geometry > Create/Modify Surface > Standard Shapes Coloque o valor 5 nas opções Radius 1 e Radius 2;

> Cylinder

;

Selecione os dois pontos, clique com o botão do meio do mouse e clique em apply. O tudo está feito;

3º passo: conferir qualidade 







 

Para conferir a qualidade da geometria feita clique em Geometry > Repair Geometry > Build Diagnostic Topology; Curvas vermelhas : dupla conexão – indica que duas superfícies se encontram dentro da tolerância. Configuração desejada para criação de um modelo sólido; Curvas amarelas : conexão única – indica que reparos são necessários; Curvas verdes : curva sem conexão; Curva azul: múltiplas conexões; Curva cinza : inativa.

4º passo: denominar as partes 

 

   





Na árvore clique com o botão direito em Part e selecione Create Part ; No espaço Part : ENTRADA; Clique em Entities; e deixe ativa apenas a opção Toogle selection of surfaces e selecione a entrada;

Clique com o botão do meio do mouse e pressione apply; Logo, a seção de entrada está criada; Faça o mesmo para a seção de saída; Para mudar a cor da superfície (localizado na árvore) clique com o botão direito no nome da superfície e selecione a opção Change Color ; Para a ENTRADA escolha a cor verde, para a SAIDA, vermelho e para a SURFACE , azul; Teremos a seguinte geometria:

9




File > Geometry > Save Geometry As: digite o nome pressione Save para salvar o arquivo da geometria.

Tubo3D-ModII.tin e

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2. MALHA TETRAÉDRICA 2.1. Tubo 3 D – malha tetraédrica 1º passo: criação do ponto material    

  



Abra o arquivo Geometria; Clique em File > Save Project As... e crie um arquivo com o nome MalhaTetra; Deixe a superfície solid e transparent para facilitar a visualização; Crie o corpo antes de criar a malha tetraédrica, isto não vale para malha hexaédrica; Clique em Geometry > Create Body ; No local Part o sistema já gera o nome BODY automaticamente, deixe como está; No local Name digite LIFE (obs: pode ser qualquer nome); Ative a opção Material Point e em 2 screen locations selecione os dois pontos existentes, clique com o botão do meio do mouse e em Apply;

2º passo: parâmetros da malha tetraédrica



Clique em Mesh > Global Mesh Setup ; Global Element Scale Factor > Scale factor : 1. Os valores de todas as outras configurações serão multiplicados por esse valor. Em Max element : 1



Para criar prismas na parede, de forma a melhorar a qualidade próxima a parede, clique



em Prism Meshing Parameters ; o Growth law: exponential o Initial height: 0.1; o Height ratio: 1.2 o Number of layers: 3 Apply.





  

Clique em Mesh > Surface Mesh Setup ; Para as superfícies ENTRADA e SAIDA, coloque o valor para Maximum size: 0.5; Para a superfície SURFACE , coloque o valor para Maximum size: 1;

3º passo: gerar a malha tetraédrica 11


















Clique em Mesh > Compute Mesh


>

Prism Mesh ; Para Select Mesh selecione Existing Mesh e clique em Select Parts for Prism Layer ; Ative as opções SURFACE-prism e Show size params using scale factor e pressione Apply; e Dismiss;

Clique em Volume Mesh, configure como na figura abaixo e pressione Compute, sua malha será gerada.

Para verificar a quantidade de elementos clique em Info > Mesh Info;

Para verificar a qualidade da malha clique em Edit Mesh > Display Mesh Quality pressione Apply; Quanto mais elementos se aproximando do valor 1, melhor a qualidade da malha;

e

Escolha as opções Ansys, como abaixo e clique em Apply;

12




Clique em Write input e em yes e em Done.



Clique em file > Save Project...


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3. MALHA HEXAÉDRICA 3.1. Conexão tubular 2 D – malha hexaédrica 1º passo: início de projeto 







Abra o arquivo Geo_2DPipe.tin: File > Open Project > Geo_2DPipe.tin. Selecione Block > Create Block > Initialize Blocks e mude o tipo para 2D Planar . Em Part digite LIVE e clique em Apply. Na árvore de comandos ative os vértices em Blocking > Vertices. Com o botão direito do mouse clique em Vertices > Numbers. Teremos:

2º passo: block splitting 







Selecione Blocking > Split Block

> Split Block

.

Clique no ícone aresta e selecione a aresta definida entre os vértices 11 e 19 (ou 13, 21) e pressione Apply. Repita para as arestas 33 ou 19 (ou 34, 21) Ainda em Split Block clique no ícone aresta e selecione a aresta definida entre os vértices 11 e 13, em Split Method escolha Relative e em Parameter digite 0.5. Pressione Apply. Teremos:

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3º passo: descarte de blocos  

Selecione Blocking > Delete Blocks ; Selecione os blocos como mostrado abaixo, clique com o botão do meio do mouse para garantir a escolha e pressione Apply.

Excluir

4º passo: associando à geometria 

Na árvore clique com o botão direito em Curves e selecione Show Curves Names;



Blocking > Blocking Associations

  



 

> Associate Edge to Curve . Clique no ícone selecionar aresta , com o botão esquerdo selecione a aresta 13-41 e pressione com o botão do meio do mouse; Selecione a curva CURVES/1, aperte o botão do meio do mouse e clique em Apply. A aresta ficará verde quando se associar. Do mesmo modo faça para: o Aresta 33-42 para curva CURVES/10 o Aresta 33-37 para curva CURVES/11 o Aresta 37-43 para curva CURVES/9 o Aresta 21-44 para curva CURVES/7 Selecione de uma vez só as aresta 13-34, 34-38 e 38-21, pressione com o botão do meio do mouse para confirmar e selecione as curvas/2, /5 e /6, clicando com o botão do meio do mouse e em seguida pressionando Apply. o Igualmente faça com as arestas 41-42 e 43-44 para as curvas CURVES/3, /4 e /8. As arestas azuis (42-43, 34-42 e 38-43) não deverão ser associadas. Para ver as associações: Edges > Show Association no display da árvore. As setas verdes mostram as associações.

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5º passo: mover os vértices 

  





Na árvore ative o nome dos pontos; Move Vertex > Move Vertex ; Method : Simple; Mova os vértices para a sua posição apropriada como mostra a figura abaixo. Associe os vértices 13, 21, 41, 42, 33, 37, 43, 44 aos pontos respectivos POINTS/2, POINTS/5, POINTS/1, POINTS/10, POINTS/9, POINTS/8, POINTS/11 e POINTS/6,

Salve a blocagem: File > Blocking > Save Blocking As. Para abrir a blocagem é só ir em: File > Blocking > Open blocking .

6º passo: aplicando os parâmetros da malha 



Mesh > Curve Mesh Setup

> Select Curves

> Selecione v(tudo o que está visível)

Em Maximum Size digite 1. Ignore todos os outros parâmetros e pressione Apply.

7º passo: geração de malha inicial   

Blocking > Pre-mesh Params > Update Sizes ; Escolha Update All e clique em Apply; Vá na árvore e em Blocking ative a opção Pre-Mesh. Clique em Yes quando propor recomputar (recompute);

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8º passo: refinando a malha a partir da aresta 





No display desative o Pre-Mesh e reative o Curves e Edges. Para ver a distribuição dos pontos na malha, vá na árvore e com o botão direito clique em Edge e selecione Bunching . Na árvore, com o botão direito, clique em Vertices > Numbers; Selecione Blocking > Pre-mesh Params

> Edge

. Clique no ícone e selecione a aresta 13-34, mude o número de nós (em Nodes) para 27 e clique em Apply; Similarmente selecione a aresta 21-38 e coloque o número de nós para 27 e Apply;

params



9º passo: salvando a malha e o bloco 





Salve a malha em formato não estruturado: na árvore, e com o botão direito, clique em Pre-Mesh e selecione Convert to Unstruct Mesh. File > Blocking > Save Blocking As e ponha um nome para o bloco. Este arquivo de bloco pode ser usado no futuro ( File > Blocking > Open Blocking ...) para alguma modificação. File > Save Project As...



3.2. Tubo 3 D – malha hexaédrica  





Abra o arquivo Geometria; Clique em File > Save Project As... e crie um arquivo com o nome Tubo3D-MalhaHexa ; Deixe a superfície solid e transparent para facilitar a visualização; Clique em Blocking > Create Block Initialize Blocks;

>

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











  



 


Clique na caixinha do Entities e selecione Select all appropriate visible objects e pressione Apply;

Clique em Associate Vertices e Apply;

> Snap Project

Clique em Associate Edge to Curve

;

Clique em Edge , selecione as arestas do bloco, confirme com o botão do meio do mouse; Clique em Curve , selecione as curvas do tubo, confirme com o botão direito do mouse, pressione Apply. Para visualizar as associações clique na árvore em Edge com o botão direito e selecione Show association ; Clique em Blocking > Split Block > Ogrid Block ; Clique em Select Block e selecione o bloco, confirme com o botão do meio do mouse; Clique em Select Face, selecione as faces da entrada e da saída, confirme com o botão do meio do mouse e pressione Apply; Teremos:

Clique em Blocking > Pre-Mesh Params Refine a malha. Salve a Malha.

> Edge Params

; 18





Clique em File > Save Project As... e crie um arquivo com o nome Tubo3D-MalhaHexa Convert ; Clique na árvore com o botão direito em Pre-Mesh > Convert to Unstruct Mesh;



Escolha as opções Ansys, como abaixo e clique em Apply;





Clique em Write input e em yes e em Done.



Salve e feche o arquivo.

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4. CFX-Pre 4.1. Ajuste do caso com tubo 3D Configurando o arquivo com malha tetraédrica   

  

 

Abra o CFX-Pre, clique em File > New Case > General > Ok > Ok ; Com o botão direito clique em Mesh > Import Mesh > ICEM CFD; Escolha o arquivo que termine em .cfx5, no momento o MalhaTetra.cfx5, não esqueça de selecionar a unidade que estamos trabalhando que, no nosso caso, é em cm;

Salve o arquivo como CasoMalhaTetraLam.cfx ; Vá em Material e insira um novo material chamado Oil e configure como abaixo; Pressione Apply e Close;

Clique em Default Domain > Basic Settings > Clique em Fluid 1 e remova; 20




Adicione novo ítem;



Para um escoamento laminar:



Clique em Boundary e crie as condições de contorno; Entrada



Saída



Parede do tubo




21












 


Clique em Analysis Type e configure a simulação para escoamento em estado permanente;

Clique em Solver > Solver Control ;

Clique em Execution Control ;

Em Solver Input File selecione a pasta onde a simulação será salva, escrevendo CasoTetraLam.def ;

Gere o arquivo .def , que é o aquivo do CFX-Solver, clicando em Write Solver Input File > Continue; Salve o arquivo; Observe na pasta onde o arquivo está salvo apareceu um novo arquivo do tipo .def , a simulação será feita com este.

Configurando o arquivo com malha hexaédrica

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



   


Para usar as mesmas configurações do CFX-Pre na malha hexaédrica, clique em File > Save Case As... e salve o arquivo com o nome CasoHexaLam; Com o botão direito do mouse clique na árvore em MalhaTetra.cfx5 e selecione Delet Mesh; Com o botão direito clique em Mesh > Import Mesh > ICEM CFD; Abra o arquivo MalhaHexaConvert.cfx5; Confira as condições de contorno; Clique em Execution Control ; 







Em Solver Input File selecione a pasta onde a simulação será salva, escrevendo CasoHexaLam.def ;

Gere o arquivo .def , que é o aquivo do CFX-Solver, clicando em Write Solver Input File > Continue;

Salve o arquivo;

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5. CFX-Solver



Abra o arquivo Solver;



Clique em Start Run.

24



6. CFX-Post Usando linhas   

 





  

Abra o arquivo CasoTetraLam do Post; Clique em Location > Line e crie a linha 1; Configure a linha 1 como abaixo:

Se quiser plotar o gráfico no próprio Post , clique em Chart Data Series > Location > Line 1;

;

Pressione Apply. Teremos o gráfico abaixo;

Há duas alternativas para exportar os dados da linha 1: exportando diretamente os dados da linha 1 ou exportando o gráfico; Para exportar o gráfico basta clicar em Export e criar um novo arquivo, DadosTetra01; Para exportar a linha clique em File > Export ; Salve o arquivo como DadosTetra02 ; 25









O mesmo procedimento deve ser feito para o Caso com Malha Hexaédrica, salvando o gráfico como DadosHexa01 e a linha como DadosHexa02;

Comparação entre o perfil de velocidades da malha tetraédrica e o da malha hexaédrica: o Abra o arquivo do excel; o Abra o programa Grapher , clique em File > Open e abra o arquivo DadosTetra02; o Copie a coluna referente à Velocity [ m s^-1 ] e cole no excel em U [m/s] da Malha Tetraédrica; o Volte para o Grapher , clique em File > Open e abra o arquivo DadosHexa02; o Copie a coluna referente à Velocity [ m s^-1 ] e cole no excel em U [m/s] da Malha Hexaédrica ; o Faça o gráfico raio versus velocidade. Note quanta diferença entre os resultados da Malha Tetraédrica e da Malha Hexaédrica;

Usando linhas de fluxo 

Clique em Streamline

; 26



Usando planos            

Clique em Location > Plane; Em Method escolha XY Plane em Z = 0; Plane Bounds: none; Plane Type: Slice; Apply; Clique em Contour ; Configure: Location: Plane 1; Variable: Pressure; Range: Global # of Contour: 81 Observe que a pressão é maior na entrada e menor na saída. Observe também as opções do Range;

Usando vetores   

Clique em Vector ; Clique em Symbol e em Symbol Size, diminua o tamanho dos vetores para 0.05; Em Symbol muda-se o símbolo do vetor;

27

APOSTILA-minicurso-Ansys

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