Uma visão geral do pacote CFD OpenFOAM

Resolvi postar aqui a série de artigos que eu escrevi sobre o OpenFOAM e estavam sendo colocadas no CFD-Brasil.

Introdução

Sem dúvida alguma, os pacotes CFD facilitam a análise de uma ampla faixa de condições de escoamento. A importância dos pacotes CFD têm crescido muito nos últimos anos devido à confiabilidade e à rapidez dos resultados assim obtidos e à economia frente a testes experimentais. Este fato se deve aos avanços em termos de modelagem dos fenômenos físicos, das técnicas numéricas para solucionar o problema e da capacidade computacional. Como consequência, além da facilidade de uso, a atualização das técnicas presentes nos códigos CFD e o desenvolvimento de novas metodologias numéricas e modelos físicos devem sempre ser pontos cruciais em CFD. Desta forma, é interessante que o usuário possa interagir intimamente com o pacote, possibilitando a extensão do código para aprimorar a ferramenta ou mesmo implementar novas formas de solucionar um problema específico.

Devido ao fato de ser gratuito e distribuído com código aberto, o OpenFOAM surge como uma ótima opção à resolução de uma grande variedade de problemas CFD. Este artigo é o início de uma série que irá apresentar uma visão geral do OpenFOAM considerando os motivos para escolhê-lo como ferramenta CFD e detalhes de sua origem. Nos outros artigos, veremos detalhes e recursos de configuração de uma simulação no OpenFOAM.

Escolha do OpenFOAM
São várias as considerações que devem ser avaliadas ao escolher um pacote CFD como ferramenta, entre elas a facilidade de uso, a capacidade de montar a geometria e gerar malhas, a eficiência e robustez das técnicas numéricas implementadas e, por fim, a amplitude dos problemas físicos que o pacote pode resolver. Esses fatores dependem muito do grau de desenvolvimento e do investimento colocado no pacote. Sem dúvida alguma, atualmente os pacotes CFD mais desenvolvidos são os comerciais, como CFX, FLUENT e PHOENICS, justamente devido ao seu apelo comercial. Contudo, os preços dos pacotes comerciais somam uma quantia enorme ao usuário final - em média US $ 25000 para uma única licença em período de um ano - fato que limita seu uso. Existem muitos códigos CFD gratuitos disponíveis, contudo normalmente estes possuem uma área de aplicação limitada. O ideal é que exista uma ferramenta CFD que seja geral o suficiente para ser aplicada em diversas áreas, poderosa, robusta e gratuita.

Os pacotes CFD, pagos ou não, tipicamente requerem do usuário um grande esforço dedicado à compreensão e ao seu uso correto. Os códigos CFD irão fornecer uma resposta à maioria dos problemas quando estes forem apropriadamente colocados, porém é necessário paciência, prática e experiência para produzir resultados razoáveis. A interface de integração com o usuário oferecida pelos pacotes CFD é algo que sempre deve ser considerado ao escolher um software.

Além disso, os códigos para solução de problemas CFD necessitam de ferramentas de geração de malha e visualização científica (pré e pós-processamento) de modo a se tornarem úteis. A maioria dos códigos CFD livres não inclui estas duas ferramentas. Apesar disso, existem vários programas específicos para geração de malha e visualização de dados independentes, contudo o usuário deve despender de um grande esforço para interligar estes com o código CFD.

Tendo colocado as considerações acima, pode-se colocar os pontos para basear a escolha do OpenFOAM como ferramenta CFD. Os fatores da escolha estão listados abaixo com alguns comentários. Maiores detalhes sobre os tópicos serão colocados posteriormente quando aplicável.

• Código aberto e escrito em C++; A praticidade de ter o código em mãos é indescritível. A grande maioria dos manuais dos pacotes CFD comerciais contém dados incompletos sobre a modelagem e implementação numérica. Ao analisar código, o usuário é capaz de obter todas estas informações. E mais, ele pode alterar o código existente (ou criar um novo) para atender as necessidades do problema.
• Simplicidade no uso como uma ferramenta CFD; Apesar de não ter uma interface gráfica tão avançada quanto a dos softwares comerciais, o uso e operação do OpenFOAM é realizada de modo semelhante.
• Ferramentas gratuitas de geração de malha e visualização de dados incorporados ao pacote;
• Generalidade da malha (estruturada ou não-estruturada), inclusive com a possibilidade de importar malhas de outros programas (gratuitos e comerciais);
• Possibilidade de interação direta com os desenvolvedores do pacote; Os desenvolvedores do OpenFOAM participam intensivamente de uma lista de discussão em inglês sobre o pacote, respondendo perguntas sobre o uso e implementação, dando dicas, etc.
• Ampla faixa de aplicações na engenharia, incluindo escoamentos turbulentos, com troca de calor, multifásico, etc;
• Multi-plataforma (Linux, Solaris, MacOS, Linux 64 bits, etc); Já existe uma versão adaptada para Windows.
• Possibilidade de executar simulações de grande porte em um cluster de computadores; Implementações cada vez mais eficientes de paralelismo estão sendo incorporadas ao OpenFOAM.
• Ferramentas de exportação de resultados para visualização em outros programas gráficos; Facilita a obtenção dos resultados utilizando o software que mais agrade ou se encaixe nas necessidades do usuário.
• Desenvolvimento tende a ser realizado pelo meio acadêmico. A tecnologia mais avançada em termos de modelagem CFD, técnicas numéricas (geração de malha, métodos de discretização, solução de sistemas lineares, etc) e computação científica (visualização e paralelismo) provêm do meio acadêmico. Que bom que o OpenFOAM é implementado por eles, não?

Origem do OpenFOAM
Quando um projeto de construção de um código CFD é iniciado, é interessante estruturá-lo de forma que se torne geral o suficiente para que outras pessoas possam usá-lo no futuro como uma ferramenta confiável, eficiente e de fácil manipulação. Esta preocupação envolveu os pensamentos dos então alunos de doutorado do Imperial College, Henry Weller e Hrvoje Jasak quando, em 1993, combinaram esforços para desenvolver o código do FOAM (Field Operation And Manipulation) para operar e manipular campos tensoriais visando a sua aplicação à fluidodinâmica computacional. A tecnologia do FOAM é baseada em um conjunto eficiente e flexível de módulos escritos em C++ que são usados com o intuito de construir: (i) 'solvers' para resolver problemas específicos de engenharia que envolvam campos vetoriais, (ii) utilitários para realizar tarefas de pré e pós-processamento, que vão de uma simples manipulação de dados à visualização e construção e processamento de malhas, e (iii) bibliotecas de expansão usadas pelos 'solvers' e utilitários, tal como uma biblioteca de modelos físicos.

Ao longo dos últimos anos, o FOAM vinha sendo desenvolvido em uma linha comercial pela empresa inglesa Nabla, com a idéia de fornecer ao usuário final uma ferramenta para simulações CFD de processos fisicamente complexos e oferecendo serviços de consultoria sobre o uso do software e implementação de novos solvers com modelagem complexa. Contudo, os desenvolvedores chegaram a conclusão de que a abordagem comercial não era a ideal. Assim, em 12 de dezembro de 2004 o código do FOAM se tornou de domínio público sobre a GPL (Gnu Public License) e o programa passou a ser chamado de OpenFOAM (referente ao código ser aberto). Segundo os desenvolvedores, esta nova fase de desenvolvimento do código começa com o fim de sua abordagem comercial, reconhecendo que o OpenFOAM que o futuro do código só pode ser garantido através de colaborações e interações com o meio acadêmico.

Desde que seu código foi liberado, a comunidade científica têm tratado o OpenFOAM com muito interesse testando-o para casos benchmark, utilizando em projetos de pesquisa e propondo inúmeras colaborações para o desenvolvimento do código. Foi criado um grupo de discussão na internet sobre o OpenFOAM para discutir aspectos de uso, implementação de código e análise numérica do software aberto. Um comentário do Prof. Jasak em especial reflete a situação atual do OpenFOAM: "É incrível a popularidade que o OpenFOAM está recebendo da comunidade científica. O código está se espalhando como um poderoso vírus na internet''. É certo que se o objetivo de usar o código em um ambiente de colaborações for alcançado, o OpenFOAM terá grandes chances de crescer e se tornar uma das maiores plataformas de CFD em código aberto da próxima geração.

Conclusões
Bem, o primeiro contato já foi feito e espero ter aguçado a sua curiosidade sobre o OpenFOAM. São inúmeras vantagens em se utilizar um pacote CFD com código livre e, na minha opinião, a compreensão da implementação do modelo é a principal delas. Já presenciei ocasiões em que o uso de pacotes CFD comerciais ficava limitado pela falta de detalhes e flexibilidade sobre a implementação do código (e da modelagem também). Nestas horas, a sua formação e o seu conhecimento de CFD irão fazer a diferença somente se você puder usá-los livremente. Ou seja, com o código CFD em mãos.