Escoamento Couette entre placas paralelas: estudo de caso para o ensino de dinâmica de fluidos computacional
DOI:
https://doi.org/10.5902/2179460X87078Palavras-chave:
Método dos volumes finitos, Escoamento Couette, CalcMe, OpenFOAM, CFDResumo
A Dinâmica dos Fluidos Computacional resolve numericamente as equações do escoamento de fluidos. O ensino dessa área abrange métodos numéricos, modelagem e ferramentas computacionais, sendo um desafio interdisciplinar desenvolver conteúdo didático para graduação. O presente trabalho apresenta metodologia para o ensino do m´método dos volumes finitos e das etapas de uma simulação de dinâmica dos fluidos através do estudo de caso do escoamento Couette entre placas planas. O trabalho apresenta o conteúdo didático para dedução das equações discretas usando o método dos volumes finitos para o escoamento estacionário 1D puramente difusivo. A montagem e solução do sistema algébrico ´e feita através da ferramenta livre, CalcMe, um aplicativo online para cálculos algébricos. Em seguida, o mesmo caso ´e resolvido usando uma ferramenta de simulação livre, o OpenFOAM®, e o produto didático ´é apresentado no formato de um tutorial. Por fim, o presente trabalho adota apenas ferramentas livres e apresenta metodologia que visa mitigar os efeitos da simulação “caixa preta”, através de um material didático explicativo, que visa ampliar o acesso ao conhecimento da solução numérica e usabilidade de uma ferramenta de simulação de dinâmica dos fluidos.
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Referências
Adair, D., Jaeger, M. (2019). An efficient strategy to deliver understanding of both numerical and practical aspects when using navier-stokes equations to solve fluid mechanics problems. Fluids, 4(4). DOI: https://doi.org/10.3390/fluids4040178
Barba, L. A., Forsyth, G. F. (2018). CFD Python: the 12 steps to Navier-Stokes equations. Journal of Open Source Education, 1(9), 21. DOI: https://doi.org/10.21105/jose.00021
Barba, L. A., Mesnard, O. (2019). Aero Python: classical aerodynamics of potential flow using Python. Journal of Open Source Education, 2(15), 45. DOI: https://doi.org/10.21105/jose.00045
Battista, N. A. (2020). Suite-CFD: An array of fluid solvers written in matlab and python. Fluids, 5(1). DOI: https://doi.org/10.3390/fluids5010028
Clebsch, A. B., Mors, P. M. (2004). Explorando recursos simples de informática e
audiovisuais: uma experiência no ensino de fluidos. Rev Bras Ens Fis, 26, 323–333.
Dales, R., Willis, L. (2010). Application of Computational Fluid Dynamics (CFD) through project-based learning. Higher Education Academy Engineering Subject Centre, Loughborough University.
Dias Fernandes, T. F. D., Moreira, N. L. (2019). Uma interface de controle para a Fluidodinˆamica Computacional. Rev Bras Ens Fis, 41(4), 1–11. DOI: https://doi.org/10.1590/1806-9126-rbef-2018-0304
Fortuna, A. O. (2020). Técnicas Computacionais para Dinamica dos Fluidos . LTC.
Hoist, T. L. (1994). Computational Fluid Dynamics Uses in Fluid Dynamics / Aerodynamics Education. Relatorio Técnico, National Aeronautics and Space Administration.
Hu, J., Zhang, L., Xiong, X. (2008). Teaching Computational Fluid Dynamics (CFD) to design engineers. Em: ASEE Annual Conference and Exposition, American Society for Engineering Education.
LaRoche, R. D., Hutchings, B. J., Muralikrishnan, R. (2002). Flowlab: Computational fluid dynamics (CFD) framework for undergraduate education. Em: ASEE Annual Conference Proceedings, American Society for Engineering Education, pp. 1235 – 1238. DOI: https://doi.org/10.1115/FEDSM2002-31381
Maliska, C. R. (2017). Transferˆencia de Calor e Mecanica dos Flu´ıdos Computacional . LTC.
Patankar, S. (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. CRC Press.
Pawar, S., San, O. (2019). CFD Julia: A learning module structuring an introductory course on computational fluid dynamics. Fluids, 4(3). DOI: https://doi.org/10.3390/fluids4030159
Polanco, G., Garc´ıa, N., Rojas, L. (2009). Teaching how to use the CFD approach by an example: Hydrodynamics within a passenger car compartment in motion. Em: Proceedings of FEDSM2009 ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting, ASME, pp. 251–257. DOI: https://doi.org/10.1115/FEDSM2009-78014
Rocha, P. A. C., da Silveira, J. V. P. (2012). Estudo e aplicação de simulação computacional em problemas simples de mecânica dos fluidos e transferˆencia de calor. Rev Bras Ens Fis, 34. DOI: https://doi.org/10.1590/S1806-11172012000400006
Rodr´ıguez-Mart´ın, M., Rodr´ıguez-Gonz´alvez, P., S´anchez-Patrocinio, A., S´anchez, J. R. (2019). Short CFD simulation activities in the context of fluid-mechanical learning in a multidisciplinary student body. Applied Sciences, 9, 1–17. DOI: https://doi.org/10.3390/app9224809
Sert, C., Nakiboglu, G. (2007). Use of computational fluid dynamics (CFD) in teaching fluid mechanics. Em: ASEE Annual Conference and Exposition, American Society for Engineering Education.
Solmaz, S., Van Gerven, T. (2022). Interactive CFD simulations with virtual reality to support learning in mixing. Computers and Chemical Engineering, 156, 107,570. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2021.107570
Souza, P. V. S., de Oliveira, P. M. C. (2016). T´uneis de vento num´ericos. Rev Bras Ens Fis, 38. DOI: https://doi.org/10.1590/S1806-11173822145
Stern, F., Xing, T., Yarbrough, D. B., Rothmayer, A., Rajagopala, G., Otta, S. P., Caughey, D., Bhaskaran, R., Smith, S., Hutchings, B., Moeykens, S. (2006). Hands-On CFD Educational Interface for Engineering Courses and Laboratories. Journal of Engineering Education, (January), 63–83. DOI: https://doi.org/10.1002/j.2168-9830.2006.tb00878.x
Vasata, D., Galante, G., Rizzi, R. L., Zara, R. A. (2011). Solução computacional do problema da cavidade c´ubica atrav´es das equações de Navier-Stokes tridimensionais. ˜Rev Bras Ens Fis, 33(2). DOI: https://doi.org/10.1590/S1806-11172011000200013
Versteeg, H. K., Malalasekera, W. (2007). Introduction to Computational Fluid Dynamics - THE FINITE VOLUME METHOD. Pearson Education Limited.
Vieira, C. A., Pires, M. (2022). Aerodinˆamica de autos para o ensino m´edio na abordagem dos trˆes momentos pedagógicos. ´ Rev Bras Ens Fis, 44. DOI: https://doi.org/10.1590/1806-9126-rbef-2021-0437
Wang, Z., Gao, D. (2017). The Application of CFD in Teaching of Fluid Machinery. Em: Proceedings of the 3rd International Conference on Arts, Design and Contemporary Education (ICADCE), Atlantis Press. DOI: https://doi.org/10.2991/icadce-17.2017.131
Wehmann, C. F., Rocha, P. A. C., da Silva, M. E. V., Ara´ujo, F. A. A., Correia, D. L. (2018). Estudo e aplicação de simulação computacional em problemas simples de mecˆanica dos fluidos e transferˆencia de calor - Parte II: Problemas cl´assicos de transmiss˜ao de calor. Rev Bras Ens Fis, 40(2), 1–9. DOI: https://doi.org/10.1590/1806-9126-rbef-2017-0221
Werlang, R. B., de Souza Schneider, R., da Silveira, F. L. (2008). Uma experiˆencia de ensino de f´ısica de fluidos com o uso de novas tecnologias no contexto de uma escola t´ecnica. Rev Bras Ens Fis, 30, 1–9. DOI: https://doi.org/10.1590/S0102-47442008000100014
Young, D. F., Munson, B. R., Okiishi, T. H. (2011). A Brief Introduction to Fluid Mechanics. John Wiley & Sons.
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