December 9, 2012

Tudo pela nota (e pelo aprendizado)

O título deste post está relacionado com a ferrenha dedicação dos alunos de graduação para com a disciplina eletiva (optativa) Mecânica dos Fluidos II da Escola de Química da UFRJ. Eu estava devendo este post a eles e estou cumprindo minha promessa agora.

Eu ministrei a referida disciplina no primeiro período de 2012 e, apesar de ser optativa na grade curricular, eu costumo cobrar como uma matéria obrigatória (hum… talvez nem tanto). Não são todos os alunos que tem o interesse em encarar tópicos mais avançados de fenômenos de transporte, como reologia de fluidos não-newtonianos, turbulência e modelagem multifásica.

Como os tópicos são avançados para a graduação escolhi não aplicar provas para as notas finais, mas cobrar presença, várias listas de exercícios e um trabalho final utilizando fluidodinâmica computacional para avaliar fenômenos básicos discutidos em aula.

Na lista de exercícios sobre fluidos não newtonianos, eu achei que seria interessante se os alunos pudessem fazer em casa a clássica experiência da avaliação da tensão cisalhante com solução de amido de milho. Mas como eu poderia saber se eles realmente tinham feito o experimento? Ora bolas, eles podem gravar a experiência, dar upload do vídeo no YouTube e me mandam o link! Perfeito, não?

E são os links dos vídeos que compartilho com vocês agora!

Se divertindo...

No final das contas, acredito que os alunos gostaram da experiência e o saldo foi positivo. Alguns alunos apresentaram a teoria completa sobre fluidos não newtonianos, outros fizeram diferentes testes de resitência do fluido (inclusive com uma espingarda de chumbinho!) e alguns outros são simplesmente hilários.

Os links estão colocados na sequência, é só clicar. Alguns alunos dividiram o vídeo em duas partes.
  • Fabriccio Muhlethaler e Felipe Telles: link
  • Guilherme Gonzalez e Yuri de Almeida: link
  • Mariana Gallassi e Thábata Maciel: link
  • Pablo de Almeida Silva: link1 e link2
  • Pedro Nin e Rodrigo Petrone: link
  • Rafael Oliveira: link
  • Ricardo Terra: link
  • Rodolpho C. D. Pereira e João Phelipe M. Barcelos: link
  • Thamiris Magalhães e Ubirajara Gomes: link
  • Victor Brum e Guilherme Landim: link1 e link2
Ao fim, eu só tenho a agradeder aos alunos, que se esforçaram bastante na disciplina, correram atrás e estudaram muito. Pelo que vi, tenho certeza que terão um futuro de sucesso.

Vale notar que todos os alunos concordaram em ceder sua imagem pelo bem da ciência (e da nota final!!).

December 2, 2012

Sistemas Acoplados em CFD

Introdução

Nas aplicações atuais, considerar apenas os efeitos fluidodinâmicos não é mais suficiente para uma boa parte dos casos abordados indústria e academia. Hoje, os problemas abordam situações multifísicas, ou seja, duas ou mais físicas tratadas em uma mesma simulação. E é fácil entender porque chegamos a esse patamar no desenvolvimento e aplicação CFD.

A Fluidodinâmica Computacional, segundo Versteeg e Malalasekera, é a análise de problemas envolvendo o escoamento de fluidos e fenômenos realcionados, como troca de calor, massa, reações químicas, turbulência, entre outros, por meio de simulação computacional. A modelagem de problemas fluidodinâmicos simples resolvidas utilizando técnicas numéricas consagradas na literatura já possuem confiança e acurácia comprovada. Inclusive com comparação da solução numérica a dados experimentais.

Hum… Então quer dizer que chegamos a um patamar já conhecido no desenvolvimento tecnológico? Não tem problema! É só complicar mais a vida! :p

Um passo a mais

Observando bem, todos os fenômenos citados anteriormente são um subconjunto da Mecânica do Contínuo que abrangem tópicos como:
  • Análise tensorial em estruturas sólidas.
  • Eletromagnetismo, incluindo fenômenos de alta e baixa frequência.
  • Previsão do tempo, com modelos de circulação atmosférica e oceânica.
  • Dinâmica galática e crescimento de estrelas (Oow! Sinistra essa!).
  • Sistemas combinados de calor e massa, com ou sem associação a escoamento de fluidos.
E o que todos estes fenômenos possuem em comum? O tratamento matemático pela mecânica do contínuo, representado por Equações Diferenciais Parciais e deduzidos com base na lei de conservação de propriedade (massa, energia, espécie química, momento linear, momento angular, etc). Ora bolas, e se os métodos numéricos existentes para solução de equações diferenciais parciais são capazes de resolver de modo satisfatório o problema, isso significa que podemos simular todas as físicas utilizando a mesma metodologia.

O que cabe a nós agora é interpretar como as diferentes físicas estão relacionadas entre si e como isso fica nas equações de transporte de cada física.

As equações da fluidodinâmica

Chegou a hora da verdade. Precisamos voltar para a base teórica para entender como podemos acoplar os efeitos mutifísica nas equações de fluidodinâmica. A fluidodinâmica do escoamento é regida por duas equações de conservação: massa e momento linear (quantidade de movimento ou momentum).

A conservação de massa é necessária em qualquer problema de fluidodinâmica e relaciona a taxa de variação de massa do sistema com o divergente do momento linear.

Por sua vez, a conservação de quantidade de movimento parte da segunda Lei de Newton, que relaciona a taxa de variação do momento linear com o somatório das forças aplicadas ao fluido. Isto nada mais é que um balanço de forças.

Pode-se desenvolver a expressão acima tal que se obtenha a equação diferencial de conservação de quantidade de movimento.

Portanto, percebe-se que o escoamento de fluidos é baseado em um balanço de forças com dependência direta das propriedades físicas do fluido.

Acoplando as físicas

Sem dúvida, os mecanismos de acoplamento dependem das físicas associadas ao problema e como estas afetam o escoamento e vice-versa. Podemos entender isto através de um exemplo de acoplamento.
  • Interação Fluido-Estrutura (FSI): movimento e/ou deformação devido escoamento sobre a estrutura.
  • Acoplamento Térmico: propriedades físicas dependem de efeitos térmicos (favorecendo convecção natural, por exemplo).
Através da física do problema, conseguimos entender de forma geral como as físicas estão associadas, mas podemos ver todos os efeitos? Para ajudar neste ponto, vale montar um diagrama de blocos para entender melhor o problema.

Efeitos FSI

No diagrama, é possível verificar que o fluido aplica uma força sobre a estrutura. Dependendo da magnitude desta força, as tensões aplicadas sobre a estrutura são alteradas e esta pode vir a deformar.

O posicionamento da interface sólido-fluido é alterado quando ocorre a deformação da estrutura e, assim, o escoamento do fluido também é afetado. Ou seja, os efeitos associados à camada limite, como foça de arrasto, formação de esteira, etc são alterados e influenciam o perfil de velocidade e pressão.

Em um problema CFD, o problema é bastante complexo pois, já que ocorre a movimentação da estrutura sólida, o uso de malha com domínio móvel ou malha adaptativa se torna necessário.

Efeitos térmicos

Pela característica intrínseca de transporte convectivo, o escoamento efeta diretamente a troca de calor no sistema. Ou seja, a energia é transportada pelo fluido, de acordo com sua velocidade de escoamento. Por sua vez, a temperatura do sistema pode alterar as propriedades físicas do escoamento, como densidade e viscosidade.

Os efeitos térmicos sobre a estrutura sólida não são tão claros para quem está acostumado apenas com fluidodinâmica. Em uma estrutura termicamente aquecida, as propriedades do sólido são alteradas e o campo de tensões se modifica. Portanto, isto afeta como e/ou quanto a estrutura suporta o escoamento incidente.

O caminho de volta é interessante. Durante a deformação do sólido, a energia térmica é dissipada no meio. Como? Podemos fazer um experimento simples para comprovar a teoria. Pegue um talher de metal com certa flexibilidade (já sem uso, por favor). Se você ficar torcendo ou deformando o metal por certo tempo, irá perceber que este vai ficar quente. Pois bem, é a estrutura sólida dissipando energia devido a deformação causada, neste caso não pelo fluido, mas por você mesmo.

Acoplando as equações

Tudo se trata de condições de contorno ou termos de transporte presentes nas equações de conservação. Cada domínio, sólido e fluido, deve ter suas equações que regem a física associada e as condições de contorno destas devem passar a informação entre os domínios.

Para o exemplo que consideramos, é fácil ver que se podemos calcular a força que o fluido exerce sobre um obstáculo, também podemos informar ao mesmo obstáculo esta força. Assim, a equação de quantidade de movimento calcula esta força, que é alimentada à equação de tensão da estrutura como condição de contorno. A movimentação da estrutura é então obtida, alterando a malha e, portanto, o domínio geométrico por onde o fluido escoa. Pronto, acoplamos as físicas.

E a troca de calor? Existe um termo na equação da energia que muitas vezes desprezamos. Este é chamado de dissipação térmica, que transforma de forma irreversível efeitos de atrito/tensão em energia térmica.

Por fim...

Por fim, a forma de acoplamento entre as diferentes físicas deve estar presente na sua modelagem, como termo de superfície (para acoplamento como condição de contorno) ou mesmo volumétrico (afetando os diferentes domínios como um todo). O que cabe a você é organizar as ideias e montar como as físicas estão associadas.

Ok, então! Espero que o post seja útil para você. Se gostou (ou não), deixe seu comentário no blog.

Um abraço e até a próxima!

October 7, 2012

Anúncio: NUMAP-FOAM-Br 2013


Numerical Modelling of Coupled Problems in Applied Physics
with OpenFOAM® (NUMAP-FOAM-Br)

Escola de Verão 2013 na Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola de Química e Programa de Engenharia da COPPE
Rio de Janeiro, RJ; 6 a 20 de Março de 2013


Convecção térmica mista em canal aletado.
Com o sucesso da primeira edição, a Escola de Química e o Programa de Engenharia Química da COPPE anunciam a segunda edição da Escola de Verão Brasileira em Problemas Numéricos Aplicados usando OpenFOAM® (NUMAP-FOAM-Br) para alunos de Pós-Graduação e jovens pesquisadores a acontecer no Rio de Janeiro, Brasil. Este evento é baseado na Summer School (NUMAP-FOAM) que ocorre anualmente em Zagreb, Croácia, e organizada pelo Prof. Hrvoje Jasak, desenvolvedor do OpenFOAM®. Em sua versão latina, o NUMAP-FOAM-Br está sendo organizado pelos integrantes do Laboratório de Termofluidodinâmica (LTFD) da COPPE/UFRJ e supervisionado pelos Profs. Luiz Fernando Silva (EQ/UFRJ) e Paulo Lage (PEQ/COPPE/UFRJ).


Descrição do evento
Simulação de sistema de mistura (MRF).
A Escola de Verão tem o intuito de fornecer orientação e treinamento no uso e programação em OpenFOAM® para um pequeno grupo de estudantes e pesquisadores envolvidos em trabalhos de pesquisa e desenvolvimento. A ideia da Escola de Verão é expandir os conhecimentos em modelagem de problemas avançados, métodos numéricos e programação, usando o OpenFOAM® como ferramenta de trabalho. A aplicação do OpenFOAM® aos projetos de pesquisa dos participantes terá orientação direta e trabalho prático no código.
Aulas e palestras em tópicos selecionados, como métodos numéricos, programação e modelagem, serão apresentadas de acordo com a necessidade dos alunos. Note que, para garantir a qualidade do trabalho e da supervisão, o número de vagas será limitado.

Local e data
A Escola de Verão ocorrerá em 11 dias de trabalho sob supervisão dos Profs. Luiz Fernando Silva e Paulo Lage e com auxílio de especialistas locais em OpenFOAM®, incluindo alunos do LTFD e profissionais da Wikki Brasil. Tutoriais, palestras e trabalhos em grupo vão acontecer de 6 a 20 de Março de 2013 na sala de aula do Laboratório de Termofluidodinâmica do Programa de Engenharia da COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Campus Ilha do Fundão.

Como participar: NUMAP-FOAM-Br 2013
Resposta de sistemas de controle PID para temperatura
implementados como condição de contorno na entrada
de uma sala com fonte de calor.
 Para participar, pedimos que escrevam em uma (1) página a descrição do projeto que querem trabalhar durante o NUMAP-FOAM-Br, com os problemas atuais e os objetivos a serem atingidos na Escola de Verão. A participação é aberta a qualquer aluno de pós-graduação e graduação inscritos em universidades assim como pesquisadores pós-doc. Este evento não está restrito a universidades brasileiras e encoraja que alunos de universidades fora do Brasil também participem. Neste caso, a comunicação será em inglês.

Note que este NÃO é um curso introdutório de OpenFOAM®. Conhecimento prévio do projeto e do software são pré-requisitos para participação no evento.

O prazo para submissão dos projetos é 25 de Novembro de 2012. Os candidatos selecionados serão informados até o dia 15 de Dezembro de 2012.

Acomodação e custos
Participantes da Escola de Verão devem se planejar para cobrir suas despesas de viagem e acomodação. O ideal é que os participantes tragam laptops para desenvolvimento de seus projetos. Será cobrada uma taxa de registro (após seleção do projeto) cujo valor por participante está colocado na sequência:
  • ·      Alunos de doutorado: R$ 800,00
  • ·      Alunos de mestrado e graduação: R$ 600,00
  • ·      Pesquisadores/pós-doc: R$ 1600,00

Note que este evento não é financiado por nenhuma empresa ou agência pública de fomento.

Contato
Para maiores detalhes e submissão da proposta de projetos, entre em contato pelo e-mail numapbr@notasemcfd.com. Você também pode tirar dúvidas pelos comentários deste blog.

* Todas as figuras colocadas neste anúncio foram geradas de trabalhos desenvolvidos ou em desenvolvimento no LTFD.

September 27, 2012

"Ciência é novo tema de concurso do Festival do Minuto"

Um momento de divulgação de algo interessante que está acontecendo. Recebemos por e-mail o seguinte:
"Festival do Minuto, um festival de vídeos permanente e online que acontece desde 1991.O Festival está com um concurso aberto com o tema Ciência.Para participar, basta fazer o cadastro no site e enviar um video de até um minuto sobre ciências. Os melhores videos concorrem a laptops."
Então, caros colegas que possuem recursos para fazer vídeos legais e querem concorrer a laptops, as inscrições estão abertas até o dia 27 de outubro.

Abaixo reproduzo o texto de divulgação completo e boa sorte a todos os participantes. Mas se você não quiser concorrer, mas se interessa por ciência, não deixe de conferir o site, tem uns vídeos legais lá. E também dá várias ideias ...

Huummm ! Acho que vou mandar um vídeo também... "a dança das bolhas", para quem não sabe, hoje eu lido muito com parte experimental, em geral, com bolhas e gotas em meio líquido, e tenho uma câmera de alta velocidade :) Ideias...:D

O link direto para o hotsite do concurso é: http://www.festivaldominuto.com.br/contests/258?locale=pt-BR
Ciência é novo tema de concurso do Festival do Minuto
 Participantes concorrem a seis laptops como prêmios
 O concurso tem apoio da FAPESP e as inscrições vão até o dia 27 de outubro

Ciência. É só pensar no termo que já vem à cabeça um laboratório, um rato para experiências e um cientista maluco de avental branco? Pois ciência é muito mais do que essa visão estereotipada, já que nos deparamos com ela nas mínimas coisas do dia a dia – da lâmpada elétrica ao telefone celular, do banho quente aos tratamentos de saúde, da conservação ambiental ao uso da internet. Por isso, o termo pode trazer inúmeras ideias para criar belos vídeos de um minuto. É no que aposta o novo concurso do Festival do Minuto. 
Mas, afinal, o que é ciência? Mesmo que sua definição seja bastante abrangente, podemos dizer que ciência é o resultado do esforço humano para aumentar o que se sabe sobre determinado assunto com base em um método científico, ou seja, na observação, no questionamento e no raciocínio lógico. É desse conhecimento que resultam boa parte das descobertas e das invenções. Em resumo, ciência também é resultado da nossa criatividade.
Por isso, para participar do festival, nada melhor do que deixar a imaginação fluir sobre qualquer ciência, seja ela exata, humana ou sobre a vida. Ciência da computação, engenharia, física, matemática, química, zootecnia, botânica, biologia, antropologia... E, como sempre, valem vídeos de 60 segundos em qualquer formato: filmes de animação, vídeos feitos com câmeras digitais, celular, ipad etc. O que vale, mais uma vez, é a criatividade. O concurso segue aberto a pessoas de todas as idades, com inscrições até o dia 27 de outubro.

FAPESP: 50 anos de apoio à pesquisa
A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) é uma das mais importantes agências brasileiras de apoio à pesquisa científica. Criada em 1962, a FAPESP, ao longo dos seus 50 anos, concedeu cerca de 105 mil bolsas de pesquisa – da graduação ao pós-doutorado – e apoio a mais de 92 mil auxílios para pesquisadores do Estado de São Paulo. O apoio é dado a pesquisas em todas as áreas das ciências, bem como tecnologia, engenharia, artes e humanidades. A FAPESP também apoia pesquisas em áreas consideradas estratégicas para o País, por meio de programas em grandes temas, como biodiversidade, mudanças climáticas e bioenergia.
Para saber mais, acesse www.fapesp.br.

Sobre o Festival do Minuto
O Festival do Minuto foi criado no Brasil, em 1991, e propõe a produção de vídeos com até um minuto de duração. É, hoje, o maior festival de vídeos da América Latina e também o mais democrático, já que aceita contribuições de amadores e profissionais, indistintamente. A partir do evento brasileiro, o Festival do Minuto se espalhou para mais de 50 países, cada um com dinâmica e formato próprios. O acervo do Minuto inclui vídeos de inúmeros realizadores que hoje são conhecidos pela produção de longas-metragens, como os diretores Fernando Meirelles (Cidade de DeusO Jardineiro Fiel), Beto Brant (O Invasor, Eu receberia as piores notícias dos seus lindos lábios) e Tata Amaral (Um Céu de EstrelasAntônia).
Para saber mais, acesse www.festivaldominuto.com.br.

September 20, 2012

Organizando a área de usuário do OpenFOAM


O diretório do usuário é aquele definido como (login do usuário)-(versão do OpenFOAM). Este diretório é bem importante mas, pelo que já conversei com outros usuários, muitas vezes não é utilizado ou é subutilizado pelos FOAMers, que deixam de lado algumas facilidades que o OpenFOAM oferece. Em todos os meus desenvolvimentos ou simulações, eu uso estritamente o diretório do usuário organizar todos os meus arquivos em uma única estrutura. Note que cada um pode organizar como achar melhor. O que eu vou colocar neste post é a minha ideia de organização dos arquivos e, sem dúvida, vocês podem comentar, discutir e discordar na área de comentários do Notas em CFD. Na verdade, será bom discutir isso pois novas ideias de organização sempre são úteis e produtivas. Mas chega de lero-lero e vamos ao que interessa!

No processo de instalação do OpenFOAM, uma das etapas é criar o diretório (login)-(versão), criar o diretório run e copiar o diretório de tutoriais do OpenFOAM para dentro deste último para testar se tudo está funcionando bem. Isso faz todo o sentido. Com este procedimento, você criou uma cópia dos tutoriais e manteve a versão intacta dentro da estrutura do OpenFOAM. Assim, se você estiver testando um tutorial, fizer alguma besteira e não souber mais como voltar ao estado original do caso, não tem problema pois você pode copiar os arquivos novamente. E isso é ótimo!

Pensando nisso, pode-se perceber que os arquivos originais de instalação do OpenFOAM devem sempre ser mantidos por segurança e garantia de funcionalidade do pacote CFD. Mas e se eu quiser desenvolver novas aplicações e funções, como solvers, bibliotecas, casos de simulação, etc? Não tem problema, mas recomendo que o faça na sua área de usuário e deixe a estrutura do OpenFOAM intacta. Ok, e como eu organizar os arquivos no diretório de usuário? Eu segui a mesma estrutura básica do OpenFOAM, como colocado na sequência.

(login)-(versão)
o   applications
§  bin
·      (versão do sistema)
§  solvers
§  utilities
§  test
o   lib
§  (versão do sistema)
o   src
o   run

O diretório applications contém todos os arquivos que são referentes aos códigos fonte do desenvolvimento de  novos solvers, utilitários ou testes iniciais de códigos ou mesmo aprendizado de coisas novas (ou antigas, mas que eu não sabia como funcionava :) ). Por fim, eu configuro para que todos os executáveis dos meus aplicativos sejam criados automaticamente no diretório bin/(versão do sistema) do usuário. Este último depende do sistema e características da compilação utilizada (linuxGccOpt, linux64GccDebug, etc) e deve ser criado automaticamente pelo OpenFOAM. Se você quiser mais detalhes sobre essa configuração, é só pedir nos comentários que eu escrevo um post sobre isso.

Sendo assim, o diretório src não contém nenhum código de aplicativos, mas de bibliotecas existentes do OpenFOAM que eu quero alterar ou criação de novas. Por exemplo, digamos que eu quero  modificar uma condição de contorno que já existe no OpenFOAM. Eu copio para este diretório apenas os arquivos do OpenFOAM necessários para a compilação e desenvolvimento da condição de contorno (contidos dentro de src/finiteVolume do OpenFOAM), sem alterar o código original e sua estrutura de diretórios. Nesta cópia, eu faço todo os desenvolvimento.

Como já desenvolvi ou testei bastante coisa no OpenFOAM, eu tenho uma estrutura do meu diretório src muito semelhante ao src do OpenFOAM. Note que, de modo semelhante aos aplicativos, eu configuro que todas as bibliotecas sejam construídas dentro de lib/(versão do sistema) no diretório do usuário.

O diretório run deve ser o mais comum a todos os usuários de OpenFOAM pois ele é criado seguindo os procedimentos de instalação do pacote CFD. E esse é o mais simples de explicar, pois é onde eu coloco todos os meus casos de simulação.

Como exemplo, segue uma figura com estrutura similar aos que eu uso no dia a dia. As marcações em verde são os principais diretórios e exemplos de solvers, bibliotecas, etc. A arquitetura da minha máquina atual é darwinIntel, 64 bits, compilado com otimização e precisão dupla.

Com essa configuração de pastas e arquivos, eu consigo realizar todo o meu desenvolvimento SEM ALTERAR a estrutura ou os arquivos originais do OpenFOAM. A vantagem disso é desenvolver os códigos sem inserir novos bugs ou erros no OpenFOAM em si. Isso pode ocorrer sem mesmo perceber... Quando eu comecei a usar o OpenFOAM, eu não tinha muito cuidado com isso e já "quebrei" a instalação algumas vezes sem saber. Acho que a principal mensagem deste post é: "organize-se logo no início para se acostumar a desenvolver seus códigos com segurança".

Espero que tenha ajudado! E você? Usa uma estrutura de arquivos similar? É diferente? Coloque seus comentários no blog!

Um abraço e até a próxima!