Utilização da técnica Smoothed Particles Hydrodynamics em problemas de interação fluído-estrutura



Baixar 19.74 Kb.
Encontro26.07.2016
Tamanho19.74 Kb.



Utilização da técnica Smoothed Particles Hydrodynamics em problemas de interação fluído-estrutura
Bruno Luiz Testa (Pibic/Fundação Araucária/Unioeste), Ricardo Lessa Azevedo (Orientador), e-mail: ricardo.l.azevedo@gmail.com
Universidade Estadual do Oeste do Paraná/Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas/Cascavel-PR
Grande área e área: Engenharias - Engenharia Civil
Palavras-chave: Smoothed Particles Hydrodynamics, Interação Fluído-Estrutura, Simulação Computacional
Resumo
Na engenharia, há um grande interesse no comportamento de interações do tipo fluído-estrutura. Contudo, a realização de simulações computacionais desse tipo de interação é demasiada complicada. Dentre as técnicas existentes, para resolução dos problemas envolvidos nessas simulações, está o método Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH). Assim, o presente trabalho busca estudar essa técnica utilizando-se o programa SPHysics. Dessa maneira, através de implementações em seu código, alterou-se um de seus benchmarks originais para a criação de uma nova situação para exemplificação do emprego deste método. Com isso, obteve-se resultados satisfatórios para o comportamento de um fluído ao chocar-se com uma estrutura rígida. Além disso, foram elaborados guias em português dos programas envolvidos na simulação, para que estes sirvam como base de novos trabalhos envolvendo o método SPH.
Introdução
Problemas envolvendo a interação de estruturas com meios fluídos, sejam eles líquidos ou gases, ocorrem frequentemente na engenharia. Como exemplo pode ser citado a ação do vento em edifícios altos. As simulações dessas interações fluído-estrutura estão incluídas em uma área extremamente desafiante de resolução de problemas utilizando-se modelos computacionais. Uma das grandes dificuldades inerentes ao estudo destes casos é conseguir um acoplamento unificado do problema, haja vista que as equações que regem cada uma das situações são provenientes de diferentes campos da mecânica, o grande desafio é implementar um código capaz de resolver as duas fases do problema de uma só vez mantendo a linearidade física. A complexidade da resolução destes problemas tem sido vencida pelo avanço da arquitetura dos computadores nas últimas décadas, o que possibilita maior dinamismo de cálculos e maior robustez dos algoritmos aplicados neste estudo.

Dentre os métodos para se resolver tais problemas, encontra-se o Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) que, do ponto de vista de descrição do movimento, é um método Langrangeano puro (Hughes, 2000). O SPH é um método elaborado na década de 70 para a modelagem de fenômenos astrofísicos tridimensionais (Gingold & Monaghan, 1977; Lucy, 1977) e caracteriza-se por não apresentar ligações entre as partículas que caracterizam a discretização espacial do domínio do problema estudado, sendo que o movimento das referidas partículas é governado por leis de atração e repulsão. Entende-se como “partícula”, não uma massa física, mas sim, uma região no espaço (Amanifard et al., 2011). Desta forma, a técnica SPH insere-se no conjunto de métodos que dispensam a existência de uma malha. Tal característica torna o método SPH bastante atraente para problemas onde severas distorções na malha são previstas ao longo da simulação, caso típico de diversos problemas de interação fluído-estrutura.

Entretanto, ainda existe uma carência em relação à modelagem estrutural nos códigos de SPH, o que acaba tornando a técnica pouco eficaz no estudo dos problemas costumeiros do campo da Engenharia Civil, sendo as interações fluído-estrutura o principal exemplo. Aprofundar conhecimentos sobre as condições em que se dá esta interação é uma informação fundamental na hora de se projetar estruturas de proteção ou outros inúmeros problemas de engenharia. Neste contexto este trabalho se propõe a estudar a técnica de Smoothed Particles Hydrodynamics e possibilitar o maior entendimento deste, mesmo por pessoas com o mínimo conhecimento sobre sua utilização, apresentando guias em língua portuguesa e exemplificando uma situação de utilização do mesmo, em um caso criado para o trabalho.
Materiais e Métodos
O programa que usa um algoritmo baseado no método SPH utilizado, para a obtenção de resultados de simulações, foi o SPHysics (Gómez-Gesteira et al., 2012). Este se trata de um software livre e está disponível em dois formatos: a versão 3D (relativa a simulações envolvendo três dimensões) e a versão 2D, a qual foi utilizada nesse trabalho, contendo-se apenas às simulações em duas dimensões, e que, originalmente, apresenta oito casos pré-definidos com situações de interações fluído-estrutura. Uma vez que foi desenvolvido a partir da linguagem de programação FORTRAN e as sub-rotinas são fornecidas, o SPHysics permite a customização de seu código.

Dessa maneira, o objetivo inicial era implementar um código dedicado à análise de problemas de interação fluído-estrutura. Este que seria relacionado ao choque de certa quantidade de fluído com um obstáculo localizado a alguns metros desta. Assim, laborou-se em um novo caso, diferente dos oito originais, que atende a situação desejada da interação. Este caso criado recebeu o nome de “Case9”, o qual foi refinado com o tempo para se alcançar o real arranjo do sistema almejado.

Devido à quase totalidade de materiais disponíveis para estudo da utilização do programa encontrar-se no idioma inglês, percebeu-se a carência destes em português. Dessa forma, buscou-se a elaboração de documentos em português, através da tradução e adaptação dos guias oficiais disponibilizados pelo programa, visando possíveis desdobramentos em atividades de Iniciação Científica.
Resultados e Discussão
O novo caso desenvolvido para o SPHysics, o Case9, consiste em um corpo fluído inicialmente em repouso e que em determinado momento começa a escoar. Este escoamento então choca-se contra um obstáculo, o que dá origem a uma situação de interação fluído-estrutura.

Elaborou-se, como exemplo de utilização do Case9, um cenário em que o corpo fluído e o obstáculo encontram-se em uma caixa com dimensões de 4 m na horizontal e 2,5 m na vertical. Inicialmente, o fluído tem formato retangular, com dimensões de 1 m na horizontal e 2 m na vertical. Quanto ao obstáculo, este se localiza no centro do recipiente, medindo 0,10 m e 0,50 m na direção horizontal e vertical respectivamente. As partículas estão espaçadas 2,25 cm em ambas as orientações, resultando em um total de 8714 partículas. Ressalta-se que esses valores podem ser livremente alterados através do arquivo Case9.txt. A Figura 1 ilustra esse problema resolvido, apresentando os tempos de 0, 1, 2 e 4 segundos. A visualização foi feita através do programa ParaView (http://www.paraview.org/), sendo que, além do SPHysics, também foram elaborados guias para esse software.





Figura 1 – Resultado da simulação utilizando o Case9 com os dados supracitados.
Conclusões
Iniciada a simulação, o fluído choca-se com o obstáculo, depois se choca com a parede direita da caixa, e após isso, ondas são formadas no recipiente, oscilando de uma extremidade a outra. Essa etapa da simulação é bastante turbulenta, gerando grandes deformações e até mesmo a separação do fluído. Por envolver esses tipos de problemas, a simulação não poderia ser resolvida por métodos que utilizam malhas, como é o caso do Método dos Elementos Finitos. Caso fosse realizado por essa técnica, resultariam em falhas na simulação ou a não obtenção de resultados adequados.

É notável que o método SPH consegue reproduzir situações importantes na engenharia de maneira bastante satisfatória, como se pode observar nas imagens acima. Porém, ainda existe uma grande carência de materiais referentes técnica disponíveis em português. Logo, espera-se que os guias elaborados neste trabalho possam incentivar outros novos, baseados em SPH, servindo como ponto de partida para o estudo, e apoio na utilização dos programas que fazem uso do método ou que possibilitam a visualização dos resultados. Pesquisas adicionais envolvendo a simulação de interações com sólidos deformáveis, restritas a softwares comerciais sofisticados, também podem ser identificadas como iniciativas futuras.


Agradecimentos
Ao programa de incentivo à iniciação científica Fundação Araucária, pelo auxílio financeiro concebido pela bolsa de iniciação científica.
Referências
Amanifard, N., Hesan, M. & Rahbar, B. (2011). An SPH Approach for Fluid-Hypoelastic Structure Interactions with Free Surfaces. Proceedings of the World Congress on Engineering 2011, Vol III.
Gingold, R.A. & Monaghan, J.J. (1977). Smoothed Particle Hydrodynamics: Theory and Application to Non-Spherical Stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 181, 375-38.
Gómez-Gesteira, M., Rogers, B.D., Crespo, A.J.C., Dalrymple, R.A., Narayanaswamy, M. & Dominguez, J.M. (2012). SPHysics – Development of a Free-Surface Fluid Solver – Part 1: Theory and Formulations. Computers & Geosciences. www.sphysics.org. Acesso em 13 de Agosto de 2015.
Hughes, T.J.R. (2000). The Finite Element Method – Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Dover Publications, Inc.
Lucy, L. (1977). Numerical Approach to Testing the Fission Hypothesis. Astronomical Journal 82, 1013-1024.




©principo.org 2016
enviar mensagem

    Página principal