OBJETIVOS DO TRABALHO

Os objetivos deste trabalho foram classificados como geral e específico conforme: 1.3.1 Objetivo geral

Este trabalho tem como objetivo o cálculo, através da dinâmica dos fluidos computa- cional, de coeficientes aerodinâmicos para estruturas sob escoamento do vento.

1.3.2 Objetivos específicos

Busca-se também neste trabalho aplicações práticas e criações de procedimentos para simulações conforme indicam os objetivos secundários:

 Realizar simulações de escoamento do vento em torno de estruturas, objetivando aqui- sição de: força nodal e global da estrutura e coeficiente de arrasto na estrutura utili- zando ferramentas computacionais;

 Elaborar uma metodologia progressiva para simulação computacional de escoamento em torno de estruturas bidimensionais e tridimensionais utilizando a dinâmica dos fluidos computacional;

 Simular seções típicas usadas na literatura;

 Simular escoamentos em estruturas cujas dimensões não são conhecidas na literatura e posterior confronto com valores de ensaios em túnel de vento e também normatizados. 1.4 METODOLOGIA PROPOSTA

Buscando-se alcançar os objetivos citados anteriormente, a simulação partirá de uma situação simples, escoamento bidimensional em um sólido idealizado, e evoluindo nos mode- los até atingir o caso real, uma edificação submetida ao vento preconizado em norma. Para adquirir confiança nos modelos foi realizada um procedimento progressivo, conforme ordem descrita abaixo.

ETAPA 1- Escoamento bidimensional:

1- Escoamento em torno de um sólido bidimensional com dimensões ideais e vento idealiza- do, objetivando facilitar a calibração de acordo com valores existentes na literatura;

2- Escoamento em torno de um sólido bidimensional com dimensões reais de uma estrutura (aqueduto), entretanto com o mesmo vento idealizado citado no item anterior;

3- Escoamento em torno da estrutura real citado no item anterior, entretanto desta vez com valores reais para o vento, aproximando-o da situação real.

ETAPA 2- Escoamento tridimensional:

4-Escoamento em torno de um sólido tridimensional com dimensões ideais unitárias, ou seja, um cubo. Sujeito a um escoamento idealizado, com ventos idealizados objetivando a calibra- ção de acordo com valores existentes na literatura, similar ao item 1.

5- Escoamentos em torno de um sólido com dimensões reais da estrutura (Edifício), entretanto com vento idealizado, conforme o item anterior (4).

6- Escoamento em torno da estrutura com dimensões reais e submetida a ventos reais. Considera-se:

Dimensões ideais: Sólido com dimensões unitárias, todos os lados tem 1,00 m.

Dimensões reais: Sólido com dimensões reais, ou seja, é a estrutura propriamente dita, neste trabalho foi utilizado um aqueduto e um edifício.

Ventos ideais: Consideração de uma massa de ar a 25ºC com todos os parâmetros unitários, dentre eles, a massa específica, viscosidade, etc. A velocidade do fluido terá seu valor a de- pender de cada escoamento, para reproduzir o número de Reynolds desejado.

Ventos reais: Considera todas as informações reais de acordo com o vento ao qual a estrutura estará submetida, para mensurar a velocidade utiliza-se os valores de norma.

A Figura 1.2 descreve a evolução da modelagem para o escoamento bidimensional.

Características do Escoamento Geometria submetida à ação do vento

Escoamento Bidimensional Escoamento do vento em torno de uma geometria

quadrada.

Foi possível verificar a consistência dos resultados obtidos a partir de valores disponíveis na literatura

conforme Çengel e Cimbala (2007).

1

Escoamento do vento em torno de uma geometria retangular.

Foi possível verificar os resultados obtidos com valores indicados na NBR 6123.

2

Escoamento do vento em torno do objeto de estudo bidimensional, neste caso um aqueduto. Este caso não possui referencial para o valor do

coeficiente de arrasto.

3

A partir deste escoamento, foi possível avançar para o modelo para um escoamento tridimensional, conforme os modelos propostos na Figura 1.3.

Características do Escoamento Geometria submetida à ação do vento Escoamento Tridimensional

Escoamento do vento em torno de um cubo. Foi possível verificar a consistência dos resultados obtidos a partir de valores disponíveis na literatura

conforme Çengel e Cimbala (2007).

4

Escoamento do vento em torno de uma geometria tetragonal. Nesta etapa foram elaborados Figuras

simulando edifícios com geometria simples. Foi possível verificar os resultados obtidos com

valores indicados na NBR 6123.

5

Escoamento do vento em torno do objeto de estudo tridimensional, neste caso um edifício real. Foi possível verificar os resultados com aqueles obtidos em ensaio de túnel de vento e valores de acordo com a NBR6123/1988 para tal edificação.

6

Figura 1.3 –Evolução na Modelagem- Escoamento tridimensional

A simulação do escoamento considera a resolução completa das equações de Navier- Stokes. Neste trabalho será utilizado o software comercial Ansys-CFX, escolhido a partir da vasta utilização conforme o quadro 1.1. Este software utiliza o método dos volumes finitos baseado em elementos. Além de resolver as equações de Navier-Stokes, também é possível acrescentar termos para resolver os efeitos da turbulência. Conceitos referentes ao Ansys se- rão aprofundados nas próximas seções.

1.5 LIMITAÇÕES

As simulações numéricas possuem limitação inerentes, dentre elas, destaca-se o custo computacional. Para a simulação das menores escalas de comprimento, bastante tempo de processamento seria necessário, entretanto neste trabalho se buscou o uso de computadores domésticos para realizar tais simulações, requerendo desta forma simplificações quando pos- síveis e isentas de influenciar nos resultados.

Post (2013) destaca que os códigos computacionais atuais possuem uma enorme quan- tidade de dados produzidos, e devem ser escolhidas as regiões de interesses para se expressar os resultados corretos.

1.5.1 Erros

Quanto aos erros, esses tipos de simulação constam basicamente de procedimentos suscetí- veis, que são: modelagem, discretização e interação. Onde podem haver:

a) Erros no modelo adotado;

b) Erros nos dados do problema (condições de contorno, propriedades dos materiais entre outras físicas do problema.);

c) Erros de descuido (ou fortuito); d) Erro de arredondamento;

e) Erros de aproximação ou numérico (associado a discretização); f) Representação de geometrias complexas;

g) Interpretação dos resultados.

Os erros numéricos, conforme aponta Post (2013) são oriundos da discretização das células das malhas que possuem dimensão finita e são utilizadas para mapear funções contí- nuas. Já os erros de modelagem, o autor descreve que, surgem a partir de casos em que a me- cânica dos fluidos básica não está completa, tais como a turbulência , o comportamento da viscosidade de fluidos complexos, e a interação entre múltiplos fluidos.

Segundo Ribeiro (2009) os erros sistemáticos das soluções numéricas causados pela modelagem são oriundos da diferença entre o escoamento real e a solução exata do modelo matemático. O autor aponta inda os erros de iteração causa pela diferença entre as soluções iterativas e as soluções exatas do sistema algébrico.

Para Ribeiro (2009) os erros causados pela modelagem da turbulência são de grande importância relacionadas ao custo-benefício da simulação, uma vez que maiores refinamentos de malha acarretarão maiores custos computacionais.

1.5.2 Capacidade computacional

Conforme já citado anteriormente, para a execução das simulações numéricas desta dissertação foram utilizados dois computadores domésticos. Sendo o primeiro para as malhas com menor número de elementos como foram os casos bidimensionais, já o segundo foi apli- cado às simulações tridimensionais. O tempo de processamento relatado neste trabalho será computado com base no computador 2, sendo feita uma correlação aproximada apenas para mensurar o custo computacional. A correlação foi realizada a partir de duas simulações idên- ticas realizadas em ambas as máquinas, que trabalharam em regime exclusivo para o software, a primeira com 3 núcleos e a segunda com 7 núcleos, ao final foi verificado que o tempo de processamento da CPU 01 é o dobro da 02. Logo, será utilizada a 02 apenas para explanar o tempo, sabendo que na pior situação (Computador 01) gastaria o dobro do tempo.

1- Processador Core (TM) i5 - 3337U 1.80GHz com 4 núcleos de processamento Memória de 6,00GB

Sistema operacional de 64Bits Hd de 500GB

2- Processador Core (TM) i7 - 4770 3.40GHz com 8 núcleos de processamento Memória de 8,00GB

Sistema operacional de 64Bits Hd de 1TB

Mesmo em máquinas com grandes números de núcleos de processamento não se pode utilizar todos na simulação computacional, pois o sistema operacional requer o funcionamento enquanto o Software de simulação está processando, desta forma foram dedicados nas simula- ções 3 núcleos para a primeira máquina e 7 núcleos para a segunda.

Este trabalho objetivou realizar simulações simplificadas com duração aproximada de um dia. Muitas vezes se encontra na literatura citações de tempo de simulação da ordem de dezenas de horas em computadores de alto desempenho, entretanto não foi possível utilizar dessa metodologia, uma vez que estes computadores não são utilizados por projetistas. Con- forme cita Lima (2003) uma simulação computacional com esta finalidade deve fornecer re- sultados para 4 a 8 horas de processamento, sendo que o primeiro intervalo de tempo permite ao analista utilizar os dados no mesmo dia, já as maiores simulações devem ser preparadas em uma tarde com processamento até o dia seguinte, e desta forma na manhã deste dia, já irão existir os dados suficientes para a análise.