1. Introdução
Atualmente é possível observar diversos problemas que necessitam de uma análise integrada entre métodos diferentes para uma correta interpretação dos efeitos resultantes. Em diferentes cenários da engenharia são verificadas estruturas rígidas submetidas a carregamentos devido a ação de escoamentos, os quais influenciam de forma relevante em seu funcionamento.
Nesses casos, faz-se necessário um estudo integrado entre a fluidodinâmica computacional (CFD) e a análise por elementos finitos (FEA). Tal realização acoplada recebe o nome de análise FSI (Fluid–structure interaction ou Interação Fluido-Estrutura).
Uma dessas aplicações que vem ganhando notoriedade com o desenvolvimento de sistemas renováveis de energia consiste na análise de plantas eólicas e aerogeradores. Em aplicações de sistemas eólicas a análise CFD é importante para mapear o escoamento em um determinado campo de turbinas, além de avaliar o relevo de uma região de interesse. Além disso com a análise CFD é possível obter os carregamentos de ventos os quais uma torre eólica encontra-se submetida, informação esta que consiste em um fator ambiental de extrema importância no dimensionamento estrutural da torre. Assim, com o uso da posterior análise FEA é possível avaliar a integridade das estruturas quando submetido a determinado regime de carregamentos, além de compreender fenômenos dinâmicos como suas frequências naturais de vibração e vida em fadiga.
2. Estudo de uma Turbina Eólica
O estudo de uma turbina eólica passa por análises de rotação das pás frente à aplicação de um carregamento de força horizontal. Esta força é obtida através de análises fluidodinâmicas e representa a ação do vento na face frontal das pás. Tais forças aplicadas geram esforços na estrutura provocando deformações e deslocamento de corpo rígido devido a rotação. A complexidade deste tipo de simulação está presente em dois pontos principais: primeiro o acoplamento FSI em one-way ou two-way e o segundo devido aos contatos entre os múltiplos componentes e as grandes diferenças de escala entre eles.
Figura 1: Água subindo por tubos capilares de diferentes diâmetros.
As tensões desenvolvidas nas pás são transferidas para a nacele através de equações lineares que simulam o contato entre as partes. Tais tensões se transferem para a base da torre onde podem ser lidas como forças de reação e um estudo posterior de solo pode ser feito obtendo consequente as reações no solo.
Figura 2: Análise de CFD
Figura 3: Análise FEA
3. Etapas a serem implementadas
Em um problema típico one-way aplicado à análise de aerogeradores verifica-se a seguinte sequência de etapas:
Figura 4: Esquema de acoplamento entre as etapas para uma análise FSI de uma via
Escolha dos métodos de acoplamento e protocolos de comunicação entre os dados dos participantes Fluido e Sólido;
Imposição das condições iniciais e propriedades do fluido. Etapa em que são configuradas velocidade, pressão e parâmetros de turbulência;
Análise via fluidodinâmica computacional (CFD);
Obtenção dos resultados como sendo de componentes de forças nos centróides das faces da malha de CFD;
Realização da interpolação das resultados obtidos para obtenção de forças nas faces;
Acoplamento realizando a imposição das forças nas faces da malha a ser usada no método de elementos finitos (FEA);
Realização da análise FEA;
Obtenção dos resultados sob a forma de deslocamentos nos nós.
4. Comunicação entre os Participantes
Os participantes dizem respeito aos solvers adotados na simulação, podendo ser o solver de CFD ou de FEA.
Para cada dois participantes que devem trocar dados, deve ser estabelecida uma forma da comunicação ocorrer. Com isso, tem-se um canal de comunicação. A rede usada é padronizada para a rede de loopback do seu sistema operacional, que permite a execução de vários participantes em uma única máquina. Porém, também é possível a especificação de participantes localizados em clusters.
5. Tipo do Acoplamento
Quanto ao tipo de acoplamento adotado entre as análises que compõem uma simulação FSI tem-se as opções de acoplamento em série ou em paralelo, podendo ser implícitos ou explícitos.
Acoplamento em série refere-se à execução em que um participante se inicia após o outro ter concluído. Já o paralelo refere-se à execução simultânea de ambos os participantes;
Com um esquema de acoplamento explícito, ambos os participantes são executados apenas uma vez por janela de tempo, não necessitando a ocorrência da convergência. Dessa forma, trata-se de um acoplamento mais simples, porém que pode levar a instabilidades;
Com um esquema implícito, os participantes são executados várias vezes até a convergência, sendo possível controlar uma série de parâmetros, como por exemplo o número máximo de iterações e o coeficiente de convergência relativa.