O que é CFD e para que isso serve?

Você já ouviu falar sobre CFD? É muito provável que sim, mas acredito que a maioria das pessoas ainda não tenham conhecimento desse termo e seu real significado. Então, achei melhor escrever um pouco sobre o significado de CFD e no que isso pode nos ajudar, afinal de contas.

Fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) é o termo dado ao grupo de técnicas matemáticas, numéricas e computacionais usadas para obter, visualizar e interpretar soluções computacionais para as equações de conservação de grandezas físicas de interesse em um dado escoamento. A origem destas equações de conservação é a teoria de Fenômenos de Transporte. Assim, pode-se resumir CFD como o conjunto das técnicas de simulação computacional usadas para predizer os fenômenos físicos ou físico-químicos que ocorrem em escoamentos.

Antes de entrar em detalhes sobre a descrição das técnicas de CFD, é conveniente definir qual o seu significado e quais são as necessidades das áreas tecnológicas. CFD faz parte da área de Mecânica Computacional que, por sua vez, está incluída na grande área de Simulação. A simulação é usada por físicos, químicos e engenheiros para predizer o comportamento de um produto, processo ou material em determinadas condições assumidas ou aferidas. A importância das técnicas de simulação tem aumentado muito e podem-se citar várias razões para tal fato.

• Necessidade de predição: a impossibilidade de predizer com acurácia a performance de um novo produto tem um efeito devastador nas empresas. Por exemplo, considere o caso em que um protótipo recém-construído de um avião, carro ou reator químico possua algumas falhas escondidas que possam levar à quebra, inoperabilidade ou, até mesmo, a perda do apelo de venda do equipamento. Os custos do desenvolvimento de novos produtos são tão grandes que a falta de retorno do investimento devido ao desempenho inadequado dos produtos pode rapidamente levar as empresas à falência. O único modo de minimizar o risco de se encontrar casos de desempenho insatisfatório é coletar um grande volume de informações do comportamento do produto sob as mais diversas condições operacionais. Técnicas de simulação, como CFD, podem fornecer este tipo de informação.

• Custo de experimentos: os experimentos, que são a única alternativa à simulação, são custosos. De acordo com Patankar [1], um único dia de trabalho em um grande túnel de vento trans-sônico custa em média US$ 100.000,00 (contou o número de zeros? Isso em 1980!), não incluindo os custos de planejamento, preparação do modelo, análise dos resultados, etc. Outros experimentos podem ter custos mais altos ainda.

• Impossibilidade dos experimentos: em alguns casos, os experimentos são impossíveis de serem realizados. Podem-se citar alguns exemplos, como eventos solares e galácticos, explosões nucleares na atmosfera e situações biomédicas que poderiam colocar em risco a vida do paciente.

• Detalhes de experimentos: a maioria das simulações em larga escala oferecem mais detalhes do que os experimentos. O número de pontos discretizados na simulação é equivalente ao mesmo número de pontos de medida direta em um experimento. Além disso, os resultados das simulações permitem calcular dados derivados, como por exemplo, vorticidade, tempo de residência, tensão, etc., enquanto que os mesmos são muito difíceis ou mesmo impossíveis de serem obtidos experimentalmente.

• Velocidade computacional e memória: a capacidade computacional (processamento e memória) continua a dobrar a cada 18 meses, seguindo a lei de Moore [2]. Ao mesmo tempo, os algoritmos de solução continuam a ser desenvolvidos, com acurácia e desempenho cada vez melhores. Deste modo, as simulações tendem a ser cada vez mais realísticas, com a inclusão de modelos mais abrangentes e uma maior resolução espacial do domínio de cálculo.
  

Apesar das enormes vantagens das simulações em relação aos experimentos, estes não podem ser desconsiderados pois fornecem o único modo de comparação com a realidade. Porém, devido ao declínio do custo computacional, as simulações irão certamente reduzir o número de experimentos necessários. As estimativas da Boeing indicam que o número de horas em um túnel de vento necessárias para o desenvolvimento do B-747 (1963) foi reduzido por um fator de 10 para o B-767 (1982) e por outro fator de 10 para o B-777 (1998).

É importante ressaltar que simulações CFD possuem limitações. Na maioria das áreas, ainda é necessário o desenvolvimento de modelos mais acurados como, por exemplo, nas áreas de turbulência, radiação, combustão, escoamentos multifásicos, etc. A aplicação de condições de contorno necessita do desenvolvimento de ferramentas cada vez melhores para descrever em detalhe a geometria do domínio de cálculo. Enfim, existe a necessidade constante de aperfeiçoamento das técnicas numéricas para ampliar a capacidade de resolução dos problemas mais complexos.

Mas o que é importante é ter a consciência de que CFD é uma ferramenta para auxiliar na busca de soluções para problemas reais, mas conhecendo suas capacidades e suas limitações.

Um abraço e até a próxima!!

Referências:
[1] Patankar, S.V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor & Francis Group, New York (1980)
[2] Moore, G.E. Cramming more components onto integrated circuits, Electronics Magazine, vol. 38, No. 8 (1965) (pode baixar o artigo original...)