A finalidade do pós-processamento é ajudar o usuário a organizar os resultados do processo CFD para aumentar a velocidade de análise dos dados. Outra característica é padronizar e melhorar a repetibilidade do processo. Isso permite realizar comparações entre os mesmos ou diferentes. O pós-processamento pode ser dividido em dois alvos principais, o quantitativo e o qualitativo. A primeira é útil para monitorar os dados impostos durante a resolução, eles podem ser monitorados para entender como o fluxo está sendo simulado. Os dados qualitativos são geralmente usados para descrever o desempenho do carro. Portanto, são parâmetros aerodinâmicos muito importantes. Além disso, podem ser utilizados em forma de imagens que descrevam a situação do campo de escoamento.

Dados quantitativos

Assim, os principais parâmetros que descrevem o desempenho aerodinâmico são C_x∙S, C_z∙S, F_bal e ṁ, que são arrasto, sustentação, balanço frontal e vazão mássica através de qualquer duto e trocador de calor. Existem algumas simulações em que o modelo do carro é simétrico, essas são úteis para avaliar o desempenho lateral do carro, portanto existem aderências diferentes para cada lado. Ao final da simulação, o monitor dos dados gerados pode ser visualizado em alguns arquivos (Figura 1). Nelas, para cada iteração ou grupo de dez iterações, se o monitor for utilizado durante o processo, a quantidade de iterações seria reduzida. Assim, quanto menos utilizado o monitor for, menor será o tempo de iteração.

Por esta razão, o monitor de iteração não é aberto durante um experimento, ou pelo menos, apenas se for realmente necessário. Um exemplo é quando é solicitado o monitoramento de Cz∙S nas asas dianteira e traseira. O mesmo princípio pode ser adotado para a vazão mássica através dos dutos. No entanto, como esses monitores exibem dados brutos, essa não é uma abordagem adequada para avaliação.

Uma possível solução é plotar esses dados juntamente com o número de iterações para observar se a convergência ocorre e quando (Figura 2). A partir daí é possível construir uma tabela que resume os valores de Cx∙S, Fbal e m’ (Figura 3). Outra tabela importante que pode ser construída é a de temperaturas.

Isso é útil para casos em que determinados lotes estão sendo analisados, principalmente as simulações incompressíveis, onde é interessante avaliar temperatura e pressão. A inclinação avalia a qualidade da convergência, portanto, se os resultados são confiáveis. Normalmente, quando a força descendente aumenta em 1 ponto (0,01 CZ∙S), a inclinação aumenta em 2 pontos.

Isso significa que a convergência não é bem refinada. O desvio padrão avalia a solução de diferentes componentes do carro para avaliar as forças locais sobre estes.

Os principais componentes são a carroceria, montagem dianteira e traseira. Normalmente, as peças rotativas são retiradas ao avaliar o desvio padrão da solução.

Balanço frontal /  Front balance

O Front Balance Fbal é um parâmetro que correlaciona a proporção de balanceamento total no eixo dianteiro. Este recurso é fortemente sensível ao manuseio. A força descendente total é decomposta entre os eixos dianteiro e traseiro do carro. A parte da frente é Fbal. Na verdade, o downforce dianteiro e traseiro são forças reais, são componentes de força particionada que são derivados do downforce total. Isso é aplicado entre a linha central da roda traseira e dianteira (Figura 6). Essa partição é calculada colocando a referência no ponto de contato da roda com a superfície. O momento resultante em y, MY, permite equilibrar o sistema de forças relativo ao eixo da roda dianteira. A fórmula para o saldo frontal está escrita abaixo:

F_bal = 1 + C_MY∙S∙L/(C_Z∙S∙L_REF)

O balanceamento frontal é normalmente selecionado como o alvo principal no projeto aerodinâmico, pois é importante saber onde gerar downforce. Isso depende do tipo de requisitos de manuseio do carro. A parte mais forte da análise CFD é que é possível obter muitas soluções ao longo da superfície do volume. Assim, é possível extrair um grande número de informações, não apenas na forma de gráficos, mas também como imagens da superfície do volume. Estes traçam o campo de fluxo ao redor do carro e com a opção de usar qualquer um dos parâmetros calculados.

Leitura de dados

No final de uma execução de CFD, a saída é um arquivo enorme que contém a geometria, as variáveis para todos os elementos e suas soluções. Por exemplo, existem dois tipos de arquivos conforme descrito abaixo:

size data hour r007rc_001f01_b01_k01_g01_at5000.cas.gz → Fluent geometry file

size data hour r007rc_001f01_b01_k01_g01_at5000.dat.gz → Fluent solution file

O arquivo .CAS contém apenas a geometria, que é composta pelos elementos, nós, limites e interfaces. Os arquivos .DAT contêm todas as variáveis e cálculos realizados durante a execução. Como eles contêm uma grande quantidade de informações, é impossível ou, pelo menos, muito demorado, analisar todo o arquivo. Existem algumas estratégias para realizar uma análise eficiente. Uma solução interessante é subagrupar esses dados para reduzir a quantidade de dados exportados e analisados para analisar apenas o que realmente importa para o cliente ou requisitos de projeto. A maioria dos softwares de CFD permite selecionar as variáveis para pós-estudo. Os parâmetros padrão geralmente exportados são o coeficiente de pressão (Cp), a tensão de cisalhamento da parede, a parede y+, a velocidade e o coeficiente de pressão total (Cpt). A primeira é sempre considerada devido à simulação rápida do que está ocorrendo. Além disso, é útil para realizar comparações rápidas. A tensão de cisalhamento na parede geralmente é adicionada porque há separação no fluxo. y+ é um parâmetro útil para entender o modelo de não turbulência e turbulência em termos de qualidade. A velocidade é um parâmetro básico que indica as correntes de escoamento do escoamento. Finalmente, Cpt é geralmente exportado, porque também é um bom indicador de conteúdo no campo de fluxo. Existem alguns truques para reduzir o tamanho dos dados exportados, que é exportar domínios menores. Os dados qualitativos geralmente analisados são fatias do domínio, ou apenas limites, superfícies e para estes não há razão para exportar o volume total. Por exemplo, se forem solicitadas hidro superfícies ou linhas de corrente, o vetor velocidade é o parâmetro a ser exportado. No entanto, no caso de apenas uma fatia do contorno, a estratégia é exportar apenas as superfícies necessárias para essa fatia. Isso reduz o tempo da análise, pois uma vez finalizada a simulação, é necessário abrir o software de geração de imagens. Assim, quanto maior for a imagem, mais tempo será para abrir o software. A geração da imagem leva muito tempo, pois existem muitas variáveis associadas a essas superfícies e planos. Portanto, o pós-processamento deve ser um procedimento padronizado e repetível.

y⁺

A razão para y+ ser calculada pelo software é porque, ao considerar o modelo k-ξ, este não aceita número de Reynolds baixo. A solução de contorno não está próxima da solução para esta equação modelo. Por exemplo, a solução em alguma região viscosa com y+ entre 0 e 5 e sob a camada logarítmica é uma mistura entre y+ = 1 e a camada logarítmica. Porém, esta solução é mais uma aproximação, o que não é aconselhável para o lado de pressão das asas, por exemplo. Neste caso, esta suposição torna-se crítica, pois os resultados estão longe da solução real. Para o lado de pressão de uma asa dianteira, são usados valores de y+ entre 5 e 30, porque isso é crítico devido à sucção rápida. O mesmo caso ocorre quando se trata de um conjunto de altura muito alta, acima de 500∙y+. Para algumas áreas como bordas de asas, observa-se que são críticas para discretizá-las, devido ao seu formato. Eles são pequenos e o y+ correto na borda de fuga e de ataque é difícil de obter. Para esses casos, é sempre uma compensação entre quão alto y+ pode ser definido e quão baixo é possível ir com a discretização.

Coeficiente de pressão

Geralmente na análise aerodinâmica de carros de corrida, o primeiro passo que analistas e engenheiros costumam fazer é a visualização dos limites do carro, seu coeficiente de pressão Cp. A razão é porque permite uma visão completa do comportamento aerodinâmico. Apenas algumas vistas do carro são suficientes para entender o nível de carga do carro e a integral da pressão nas superfícies de interesse. Além disso, a visualização do Cp sobre a carroceria ajuda a verificar os pontos de estagnação originados nos pneus (Figura 8), se o Cp máximo está sendo obtido no bordo de fuga das asas e se a degradação do piso dianteiro Cp ao longo do difusor. Assim, o coeficiente de pressão ao longo da carroceria ilumina todos os dispositivos aerodinâmicos do carro para proceder a uma verificação visual rápida.

Plotagem do CP em 2 dimensões

Fluxo de óleo

A visualização do fluxo de óleo permite a visualização do vetor de cisalhamento na superfície. O vetor de cisalhamento indica a direção do campo de fluxo próximo à superfície. Isso é particularmente útil quando combinado com o Cp, pois este já indica os pontos de sucção e compressão, mas junto com o fluxo de óleo é possível entender o motivo de um determinado valor de Cp. Por exemplo, um Cp indica sucção ou compressão enquanto o fluxo de óleo descreve se essa compressão é devida a uma separação ou curvatura na superfície. Além disso, permite visualizar se ocorre algum escoamento cruzado nos difusores (Figura 10). Portanto, a visualização do fluxo de óleo é uma ferramenta complementar para entender melhor o comportamento aerodinâmico do carro.

Tensão de cisalhamento na parede

O parâmetro mais valioso para acessar a separação é a tensão de cisalhamento na parede τ. A principal condição para separação é quando a derivada parcial do perfil de velocidade pela componente vertical (∂u/∂y) é igual a zero.

τ_w = μ∙(∂u/∂y)

Como a tensão de cisalhamento na parede é a viscosidade dinâmica multiplicada pela derivada parcial do perfil de velocidade (∂u/∂y), a separação ocorre quando a tensão de cisalhamento na parede é igual a zero. Assim, plotar esses dados sobre os dados do veículo permite localizar os plinths que o fluxo de ar separa (Figura 11).

Coeficiente de pressão total

Ao visualizar as fatias, é exibido o domínio de recursos que é útil para entender a quantidade de energia que está presente naquele limite específico. O coeficiente de pressão total Cpt é uma variável que expressa a quantidade que entra no fluido. Quando Cpt fica abaixo dos valores de referência, que é 1 porque é normalizado pela pressão dinâmica q∞, representa que a vazão está perdendo energia. Esta é uma situação inevitável já que existem pontos do carro que o fluxo perde energia. Por exemplo, a geração da vorticidade sempre retira alguma energia do fluxo. Do ponto de vista da análise, o objetivo é garantir que a carroceria do veículo perca a menor quantidade de energia possível. Cpt pode ser escrito da seguinte forma:

C_pt = (p – ½ρV²)/q_∞ ; q_∞ = ½ρU_∞²

De acordo com o princípio de Bernoulli, em um escoamento invíscido, o Cpt é constante e uniforme, portanto cada variação do Cpt significa uma perda de energia causada pela viscosidade e/ou turbulência. Para carros de corrida é importante manter acima da superfície aerodinâmica um fluxo Cpt = 1, pois isso traz mais energia que é capaz de gerar forças aerodinâmicas mais fortes. Portanto, Cpt é um coeficiente útil para a compreensão do conteúdo de energia no escoamento aerodinâmico, que depende de vórtices, efeitos viscosos e turbulência.

Análise CPT na direção x

A asa dianteira (Figura 12) é um exemplo de componente que apresenta uma estrutura de vorticidade, que pode ser observada nas placas terminais. Não há solução para esta situação para reduzir melhor a vorticidade e as perdas de energia. Este é um valor muito sensível em termos de CPT, já que este parâmetro facilita identificar de onde vêm todas as perdas.

O efeito das rodas

Um exemplo de condição típica de contorno móvel são as rodas. Isso é motivado pelo rastro da asa dianteira. Por ser uma carroceria aerodinâmica, não há grande esteira sobre as rodas. Como pode ser visto na Figura 13, há uma perda muito pequena de energia. No entanto, gera alguma estrutura de vorticidade coerente (verde), que surge do delta de pressão entre a sucção e a compressão do elemento da asa dianteira. Isso é uma perda de energia, porque esse fluxo está aumentando.

A geometria do pneu apresenta um ponto de estagnação em seu topo, que se move para trás em direção ao solo tanto pela rotação do pneu quanto pela velocidade relativa ao solo (Figura 14). É muito importante lidar com esse tipo de perda para não haver muitas perdas de energia. A razão é que esse fluxo com tão baixa energia vai para dentro da carroceria, que é o principal dispositivo aerodinâmico do carro. Portanto, as informações de Cpt fornecem uma visão geral das perdas de pressão nos limites. A pressão para simulações incompressíveis é sempre expressa em relação ao valor de referência que é o fluxo livre.

A Figura 15 ilustra que a visualização do Cpt é zero para o valor do fluxo livre, mas onde a velocidade aumenta em relação aos valores do fluxo livre, ela vai para um Cpt negativo. Na verdade, Cpt é um offset entre os valores de corrente livre dinamicamente normalizados pela pressão dinâmica. Por esta razão, é possível decompor Cpt entre a soma de Cp e a razão quadrática entre as velocidades. Se Cp for negativo, então Cpt também será negativo. Na Figura 15 é importante entender a direção da esteira originada da roda e quanto ela vai abaixo da carroceria e se há alguma possibilidade de roubar a energia do fluxo nesta região, que é a mais importante para o geração de downforce.

Análise de C_pt na seção y

As fatias y são úteis para a configuração do alinhamento dos corpos aerodinâmicos, como asas dianteiras, braços de suspensão e protetores de roda. Por esta razão, o gráfico Cpt é sobreposto pelo fluxo de óleo e pelas linhas de corrente, que são usadas para contabilizar a velocidade e seu alinhamento sobre os perfis das asas, braços de suspensão e protetores de rodas. O gráfico de Cpt na seção y também é útil para visualizar se algum perfil está blindado ou se existe algum dispositivo para blindar. Por exemplo, alguns carros de corrida de roda aberta têm os pneus traseiros blindados para evitar os efeitos causados por eles. Nesse caso, esse método de visualização do Cpt ajuda a blindá-los adequadamente. Além disso, é interessante visualizar a extensão da separação do freio, se sai do fluxo e seu alinhamento.

A análise Cpt é a direção z

As fatias da seção z são úteis para a visualização da largura da esteira, esta informação é particularmente importante para a força de arrasto (Figura 17). Quando a esteira fecha depois de uma configuração aerodinâmica opcional, isso significa que há mais arrasto do que esta opção. Assim, este gráfico é uma boa abordagem para comparar duas opções, pois ilustra de forma bem didática e simples se uma opção é mais arrastada que as outras ou se há energia suficiente para fechar a esteira. Isso possibilita testar configurações de forma a fechar mais cedo o rastro, evitando problemas na fase posterior do desenvolvimento.

Análise Cpt através de iso-superfícies

As isosuperfícies Cpt são um pouco mais complexas de analisar. Ao redor do limite do carro, a iso-superfície tem um valor particular de Cpt. Se for diferente da superfície do carro, a superfície colorida (Figura 18) descreve o nível de energia naquela região do carro e a rapidez com que a superfície degrada o nível de energia ao redor e ao longo da carroceria do carro, porque se for em direção a um Cpt mais baixo e mais perto do carro, o fluxo está perdendo energia. As iso-superfícies também podem fornecer uma visão geral em 3 dimensões de onde estão todas as esteiras do carro em termos de nível de energia, tipo ou esteira e direção do fluxo.

Velocidade

Outra variável plotada em fatias é a velocidade. Este é um bom indicador da extensão da esteira, mas é menos claro para analisar a formação da vorticidade. Nos casos em que a estrutura de vorticidade é coerente, ela não se funde em outros rastros. No entanto, quando a vorticidade não é coerente, o gráfico de velocidade não é um bom método para distinguir o que é um rastro e o que é fator de vorticidade.

Temperatura

Para casos compressíveis, é interessante analisar a temperatura do domínio. Por exemplo, o efeito dos gases de escape no fluxo de ar pela asa traseira (Figura 20).

Visualização de vorticidade

Isto é baseado em dois métodos diferentes, ambos distinguem o que são esteiras e quais são as estruturas de vorticidade coerentes. Isso é importante, porque esteiras geralmente resultam em arrasto, enquanto a estrutura de vorticidade aumenta a velocidade, diminuindo a pressão em determinadas áreas, o que é desejável para aumentar a sucção, como na entrada do fluxo, por exemplo. Por esta razão, é interessante ter ferramentas para distinguir esteira e vorticidade. Basicamente, existem dois métodos, o tensor de gradiente de velocidade e o de vorticidade. Seu objetivo é destacar as zonas de vorticidade coerente. O método baseado no tensor de gradiente de velocidade é descrito pela equação característica:

λ³ + Pλ² + Qλ + R = 0

Onde P, Q e R são os três invariantes do tensor de gradiente de velocidade. Normalmente, o critério utilizado é Q, que define um vórtice como uma “região de fluido conectada com uma segunda invariante positiva de ∇U”, portanto Q>0. Além disso, o critério Q é o utilizado para plotar o gráfico ilustrado na Figura 21, que é uma iso-superfície. Este método requer mais experiência da equipe de design aerodinâmico. O método baseado na vorticidade está ligado à teoria por trás da vorticidade, esta é descrita como o rotacional da velocidade:

ω = ∇×U

Esta é uma medida da rotação do fluido. Pode ser usado para visualizar vórtices ao traçar as iso-superfícies de |ω|. Como no eixo dos vórtices os vetores locais de velocidade e vorticidade tendem a estar alinhados no eixo dos vórtices, a helicidade pode ser usada para visualizar os núcleos dos vórtices, conforme descrito pelas seguintes fórmulas:

H = ω∙U

A helicidade também é plotada em fatias.

Referências

• Este artigo é baseado nas notas de aula feitas pelo autor durante as palestras de Aerodinâmica Industrial ministradas por Muner na Dallara Accademy.