O pré-processamento de CFD – Parte 2

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A definição da malha é uma parte importante do pré-processamento, pois se tratando de um modelo estanque (WM), há outro conjunto de simplificações que são baseadas nos requisitos da malha e como a malha é realizada. Assim, uma vez definida a configuração da malha, a respectiva geometria deve ser adaptada a ela. A malha de volumes é geralmente composta por tetraedro, pirâmide, prisma triangular e hexaedro, e as equações de Navier-Stokes (NSE) precisam ser resolvidas no ar externo, que é discretizado em elementos muito pequenos. Tipicamente hexaedro e prisma triangular para a camada limite. Esses elementos correspondem a algumas restrições na geometria. Na superfície, existem duas possibilidades, triangular e quadrilateral, uma vez que esses elementos são definidos, existem dois tipos principais de estratégias de grade, que são malhas estruturadas e não estruturadas.

Malha estruturada

FIGURA 1

A malha estruturada é baseada em elementos hexa ou quadrados na grade 2D. Suas características são a repetibilidade, para serem reconhecidas pelo padrão da grade. É uma grande ajuda na hora de indexar os elementos e os nós que compõem a peça ou corpo. Além disso, esse tipo de grid é rápido de ser gerado.

Malha não estruturada

FIGURA 2

A malha não estruturada (Figura 2) parece ser mais caótica, pois sua principal vantagem é a flexibilidade. Baseia-se em elementos triangulares, mas também existem elementos poliédricos. Essa malha possibilita uma boa adaptação em geometrias complexas sem falhas e mais elementos gerados. Por exemplo, o plint é uma boa aplicação para a malha não estruturada, pois se adapta melhor a uma geometria estreita e pequena. Uma malha estruturada não só aumentará a quantidade de elementos, como construirá elementos distorcidos que resultam em uma falha.

FIGURA 3

Isso pode ser observado na Figura 3 que ilustra uma carroceria de veículo, que foi discretizada com malha estruturada. É possível observar que há muitos refinamentos totais que são forçados pelas exigências da malha estrutural. Portanto, a malha não estruturada é sempre aconselhável nas simulações de CFD para aplicações automobilísticas de competição e discretização de superfície.

Qualidade da malha

Outro ponto importante sobre a malha é a sua qualidade. No método do volume final (final volume method (FVM), que se baseia no balanço de fluxos nas faces, tanto os elementos são bilaterais, quanto os fluxos são limpos e bem calculados. Assim, obtém-se mais precisão. No caso contrário, quanto mais os elementos são colididos, menos precisos são os fluxos. Portanto, ter toda a tradução do requisito da malha, é um critério de qualidade baseado na avaliação do quanto os elementos são bilaterais.

Distorção – Skewness

As superfícies que são tipicamente discretizadas em elementos triangulares têm sua qualidade medida pela assimetria. Esta é uma medida do desvio em termos do delta em relação ao ângulo ideal, pois um triângulo é equilátero quando todos os ângulos são iguais e sua soma é 180°. Quando a assimetria é zero, significa que o triângulo está colapsado, pois seus ângulos são muito diferentes do equilátero.

De cima para baixo e de baixo para cima

A malha de volume geralmente inicia a configuração da malha, pois está relacionada ao que está sendo feito, ao invés do que deveria ser feito. Lidando com a malha de volume, geralmente a partir da solução de um fluxo fora do carro, duas estratégias principais podem ser realizadas, top-to-bottom e bottom-to-top.

De baixo para cima

Bottom-up ou bottom-to-top é baseado em uma malha 2D, uma superfície, que é congelada. A partir disso, cresce uma malha de volume. Portanto, esta é uma sequência direta da malha de superfície. Isso geralmente é usado para a extremidade da caixa do carro.

De cima para baixo

De cima para baixo é uma estratégia diferente. Baseia-se no domínio do carro já definido, então a divisão começa a partir deste domínio para formar pequenas caixas. Esse processo vai até o ponto em que a divisão chega ao carro. A partir deste ponto, os algoritmos extraem as células falsas, que cruzam o corpo, e as cortam de acordo com a forma do corpo. Portanto, isso fornece muitas células de corte próximas à geometria do carro para iniciar a discretização da geometria do carro a partir dos elementos de superfície gerados após o corte.

Diferenças

Os resultados entre esses dois métodos são muito diferentes. A malha de baixo para cima é muito boa em termos de qualidade. Há uma malha de camada limite e, em seguida, uma malha de volume enorme e uniforme. No caso de malhas de cima para baixo, é possível notar que a camada limite não é uniforme, os elementos de volume variam muito em relação ao número de camadas. Isso ocorre porque o corte das faces é um processo complexo. Não é óbvio onde é capaz de colocar a camada limite. O compromisso é que esse método tenta empurrar os elementos para as superfícies do carro. Portanto, os resultados são muito diferentes, mas não há abordagem melhor. Na verdade, depende do solver usado. Por exemplo, Fluent tem um aprendizado muito alto em termos de qualidade de malha, o que significa que não aceita facilmente o método de cima para baixo. Por outro lado, o Open Foam aceita com mais tranquilidade. A abordagem de cima para baixo pode já estar em malha, porque a malha de superfícies é uma ajuda para o solucionador e tem mais recursos. Se não for executado silenciosamente, talvez eles tenham mais recursos interessantes para cortar e não é acoplamento. Portanto, criar uma malha de superfície pequena e detalhada ajuda o algoritmo a ter uma alta precisão em termos de corte.

O bottom-up tem superfícies muito boas que são usadas para criar a camada limite e, em seguida, a malha de superfície é usada para criar prismas. Isso é feito através da extrusão da malha da superfície. Na abordagem top-to-bottom existe a caixa onde o carro está dentro dela. Muitas caixas são adicionadas para subdividir o carro. O algoritmo realiza as interseções criadas pelas caixas. Assim, mais caixas são criadas até que o tamanho alvo do elemento seja alcançado. Nesta situação, o algoritmo tenta entrar na parede até o tamanho, mas com uma certa qualidade ele corta o elemento. Quando a camada limite é fina, não fica claro se ela está funcionando com a extrusão. Na verdade, ele está tentando cortar os elementos em uma pequena camada. Assim, se houver três camadas e uma delas em outro ponto, isso é muito comum em malhas não conformes, é possível ver que existem áreas com mais camadas e outras com menos camadas. No entanto, se houver malha uniforme e extrudada para a camada limite, os elementos da superfície serão tetraédricos combinando camadas hexaédricas, resultando assim em um hexaedro.

Boas práticas no motorsport

Os pontos-chave para uma boa malha para aplicações de carros de corrida são descritos a seguir. Teoricamente, a resolução da malha é definida pelo seu refinamento constante até o ponto em que as soluções não mudam mais. No entanto, na prática isso consome muito tempo, portanto, para a malha de superfície de um carro, malha 1:1 é adotado 1 a 5 mm para malha de superfície para cobrir o carro. Isso é importante para a independência da malha. Portanto, a resolução da malha deve ser suficientemente fina para reproduzir o detalhe geométrico (precisão), reproduzir os gradientes de pressão ao longo das superfícies e garantir uma resolução adequada da camada limite.

Referências

  • Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as aulas de Aerodinâmica Industrial na Dallara Academy.