tutorial ansys

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(Parte 1 de 4)

Tutorial Ansys Workbench 1.0

Simulação com CFD de escoamento de fluxo ao redor de um edifício de 10 andares.

Natália Ferreira de Queiroz

Aluna do curso de Arquitetura e Urbanismo da UFRN e bolsista do Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética (Labcon) da UFRN

Índice

Introdução 3 Breve introdução a ferramentas de CFD 4 Ansys Workbench 6 Iniciando o Projeto 7 Utilizando o DesignModeller 8 Gerando a Malha 24 Condições de contorno e simulação 27 Utilizando o pós solver 42 Bibliografia consultada 54

Introdução

Este tutorial é um guia introdutório do Software Ansys Workbench, com interesse de fomentar e divulgar o uso de ferramentas de CFD para área de Arquitetura e Urbanismo. Sabendo que a formação do Arquiteto e Urbanista não abrange o uso de tal ferramenta, antes de iniciar o tutorial propriamente dito será feita uma breve introdução ao uso de CFD e ao Software destacado. Após, será abordado a simulação de escoamento de ar sobre de um edifício de 10 andares em terreno hipotético na cidade de Natal-RN, para tanto, englobaremos o uso das ferramentas dispostas pelo pacote do software, tais como, modelagem, criação de malhas, e interface pré e pós-simulação de CFD.

Breve introdução a ferramentas de CFD

CFD (Computational fluid dynamics) é uma vertente da Mecânica dos Fluidos que estuda problemas relacionados com fluxos de um fluido. Abrange fenômenos de escoamentos, aerodinâmica, reações químicas, combustão, etc. Utiliza-se de métodos matemáticos e algoritmos baseado nas leis de conservação de massa, momento e energia em conjunto com condições predefinidas do entorno, gerando valores de suas variáveis como pressão, velocidades e temperatura, dentro de um campo, ou domínio, em regimes estacionários ou transientes.

Os métodos CFD foram inicialmente desenvolvidos na década de 1960 para resolver equações lineares e com interface bidimensional. No decorrer dos anos, a potência dos computadores possibilitou o desenvolvimento de métodos tridimensionais e posteriormente, na década de 1970, resolução de equações de comportamento não linear. Simulações com CFD eram restritas ao uso em marinha e aeronáutica, apenas supercomputadores tinham capacidade de resolver o método de equações. Graças à evolução da informática e desenvolvimento de softwares com interface mais amigáveis, hoje, a dinâmica computacional de fluidos é difundida em diversas outras áreas e recentemente também aplicados aos estudos em edificações.

Dentre as vantagens da utilização de ferramentas de CFD estão:

Baixo custo de aquisição e operação, já que as tecnologias computacionais vêm se tornando cada vez mais acessíveis ao longo dos anos.

Oferecem informações detalhadas sobre o fluxo estudado, com fácil acesso aos dados de saída;

Permitem a rápida mudança de parâmetros, otimizando a análise do escoamento; Podem simular fluxos com detalhamento realístico da geometria em estudo,

Permitem o estudo de fenômenos de risco, como explosões e vazamentos de fluidos radioativos.

Porém, previsões à base de CFD nunca são 100% confiáveis, os dados de entrada são em muitos casos simplificados, sendo alguns na realidade difíceis de predizer; também, a potência disponível no computador pode ser pequena em relação à precisão numérica. Mas como em muitos casos as incertezas sobre alguns fenômenos são maiores, os métodos CFD ajudam na caracterização e quantificação, além disso são realizadas constantes aprimorações nos métodos, equações e testes de validação de softwares. As validações de simulações/ou softwares sobre alguns fenômenos de fluxo podem ser realizadas utilizando um túnel de vento.

Segundo Shaw 1992, há 3 técnicas utilizadas pelos softwares para solucionar as equações. A técnica a ser discutida aqui é o método dos elementos finitos (método utilizado pelo Ansys Workbench) que foi elaborado para resolver equações diferenciais parciais, isto é, equações que modelam problemas que envolvem funções desconhecidas de várias variáveis como a propagação do som ou calor, eletrostática, eletrodinâmica, dinâmica dos fluidos, elasticidade, ou mais geralmente, qualquer processo que é distribuído no espaço ou distribuído no espaço e tempo. Neste método o domínio está dividido em uma quantidade inteira de sub-domínios chamados elementos, os quais mantêm as mesmas propriedades do meio original. Cada elemento é uma variante dependente de um campo de elementos que variam ao longo de todo domínio, eles são descritos por equações diferenciais e resolvidos por modelos matemáticos, para que sejam obtidos os resultados desejados.

Segundo Shaw 1992, devemos estar cientes de que o método discutido surgiu a partir de técnicas computacionais utilizadas para predizer o stress e a tensão nas estruturas sólidas. Nesta área de engenharia estrutural o método dos elementos finitos é utilizado em quase todos os pacotes de softwares comerciais. Agora que o método foi desenvolvido em mais outras técnicas e ele pode ser usado para resolver uma vasta variedade de equações diferenciais parciais, por tanto, apropriado para o solução de muitos outros problemas físicos, tais como as equações que regem o escoamento de fluidos.

Ansys Workbench

O Pacote Workbench foi desenvolvido para proporcionar um ambiente no qual, vários tipos simulações possam ser realizadas. Atende uma gama de tecnologias, tais como CFD, FEA (método dos elementos finitos) e ferramentas de otimização de Design. O pacote é organizado usando guias e etapas para deixar a interface mais familiar ao usuário. Você inicia a página do projeto e o guia fornece-lhe o acesso às ferramentas que você precisa para ler na geometria, criar as condições de contorno (cargas, restrições, materiais), resolver o problema específico e criar resultados razoáveis de visualização (imagens e animações) e relatórios sobre os resultados. Segundo a empresa, o sistema foi construído para proporcionar ao usuário fácil orientação no âmbito da sua interface. Com acesso rápido às tarefas, onde cada etapa realizada é salva em extensões distintas. Sendo possível à guia mostrar as várias etapas feitas, as tarefas que você empregou e como poderia proceder em etapas futuras.

Iniciando o Projeto

Localizar o programa no menu iniciar.

Escolher a opção Empty Project para iniciar um novo projeto.

Para começar a modelar o edifício de dez andares em conjunto com o domínio, vamos iniciar uma nova geometria.

Utilizando o DesignModeller

A unidade de medida usada será em metros.

Para falicitar o desenho, iremos ligar o grid e o snap no menu sketching – Settings – Grid.

Para iniciar os desenhos e separálos em entidades diferentes, use o botão New Sketch.

Desenhe um retângulo qualquer utilizando o menu Sketching – Draw – Rectangle.

Utilize o menu Sketching – Dimensions – General para corrigir as dimensões do retângulo anterior.

Clique nas linhas e arraste. Aparecerá entidades de cotas do retângulo desenhado.

Na janela Details View a esquerda inferior da interface digite as dimenções do que será o tamanho do domínio. Neste caso 150 m no eixo y e 200 m no eixo x.

Desenhe um retângulo de 30 m (eixo x) por 20 m (eixo y), no interior do primeiro retângulo. Ele ficará (em relação ao eixo x) á uma distância de 35 metros no interior do primeiro retângulo. E em relação ao eixo y ficará no meio. Ele será futuramente o edifício.

Utilize o Menu Dimensions para corrigir prováveis erros de desenho.

Para criar o que será o domínio, vamos extrudar o desenho anterior. Clique no botão Extrude e na janela Details View coloque uma altura de 76 metros.

Clique no botão Generate para confirmar.

Observe o sólido resultante da extrusão.

Para construir o perfil de velocidade vamos dividir a face que será a entrada e ar. Para isso vamos trabalhar em um novo plano. Clique no botão New Plane.

Na janela Details View - Type, use a opção From Face.

Selecione a face como propõe a imagem ao lado, note que a face selecionada fica verde.

Clique no botão Generate para confirmar.

Vamos iniciar um novo desenho clicando no botão “new sketch

Vamos iniciar o que será o perfil de velocidade. Ligue o Grid e o Snap. A partir do vértice da face selecionada na fase anterior, desenhe um retângulo de 18 metros de espessura como mostra a figura ao lado. Dica: Na dúvida utilize o menu “Dimensions para acertar o tamanho.

Aperte o botão Extrude.

Na janela Details View – Operation escolha a opção Imprint Faces.

Clique no botão Generate para confirmar.

Nas ferramentas de Selection Filter, selecione o modo “faces”.

Selecione o quadrado desenhado anteriormente. Note que agora ele é uma face independente.

Vamos fazer um novo desenho. Clique o botão New Sketch.

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