Criação de um modelo de ordem reduzida para a previsão de vórtices em tanques agitados

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Desvendando os segredos da dinâmica de vórtices em tanques agitados por meio de técnicas avançadas de modelagem.

Desafios

A previsão da dinâmica de vórtices em tanques agitados apresenta desafios significativos devido aos complexos comportamentos de fluxo de fluido envolvidos. A turbulência e a natureza caótica do movimento do fluido nesses sistemas dificultam a modelagem e a previsão precisas da formação de vórtices.

As simulações tradicionais de dinâmica de fluidos computacional (CFD), embora precisas, são computacionalmente intensivas e demoradas. Isso representa um problema para os setores que exigem tempos de resposta rápidos para simulações e otimizações.

Introdução aos Modelos de Ordem Reduzida (ROMs)

Os modelos de ordem reduzida (ROMs) oferecem uma solução promissora para os desafios apresentados pelas simulações tradicionais de CFD. Os ROMs reduzem a complexidade computacional ao capturar a dinâmica essencial de um sistema com um número significativamente menor de graus de liberdade.

Os ROMs são criados pela identificação dos modos ou recursos mais importantes do sistema e pela construção de um modelo simplificado que mantém as características essenciais do sistema original. Essa abordagem não apenas acelera o processo de simulação, mas também torna mais viável a realização de várias iterações e otimizações.

Solução de engenharia

Na Ozen Engineering, Inc., aproveitamos nossa experiência no software de simulação ANSYS para desenvolver Modelos de Ordem Reduzida precisos e eficientes para a previsão de vórtices em tanques agitados. Nosso processo começa com simulações detalhadas de CFD para entender os comportamentos fundamentais do sistema de fluidos.

Em seguida, empregamos técnicas avançadas de redução de modelos para extrair a dinâmica principal e construir um ROM que possa prever a formação de vórtices com alta precisão. Esse ROM é validado com base em dados experimentais para garantir sua confiabilidade e robustez.

Aplicativo:

Neste aplicativo, usamos o mesmo exemplo de tanque de agitação que demonstramos como criar um modelo do Fluent para previsão de vórtices¹. O tanque é um cilindro sem defletor, agitado com um impulsor de turbina Rushton. A geometria e os detalhes da malha no plano da seção transversal são mostrados na Figura 1

Figura 1. O modelo de geometria e a malha

O layout do projeto do Ansys Workbench é mostrado na Figura 2. A geometria é conectada à sessão do Fluent, onde são descritas as configurações necessárias do modelo e os parâmetros de entrada/saída¹. O módulo 3D ROM é então arrastado e solto na tela do projeto, por meio do qual o módulo 3D ROM faz uma conexão automática com o restante do projeto.

Figura 3. O projeto do Ansys Workbench com a adição do 3D ROM

Antes de fazer o Projeto de Experimentos (DOE), uma prática melhor é resolver o primeiro conjunto de dados com base nas entradas (DP0). Isso permite monitorar a simulação, o pós-processo e determinar se há problemas. Após a conclusão da simulação, a tela de parâmetros mostra os parâmetros de saída correspondentes (Figura 4).

Figura 4. A entrada e as saídas da primeira simulação (DP0).

As propriedades do DOE podem ser ajustadas com a tabela (Figura 5) que aparece quando se clica em Design of Experiments (ROM 3D). A seleção padrão de “Optimal Space-Filling Design” foi usada com um número de 32 amostras. Esse número é calculado pelo software com base no número de parâmetros de entrada. Nesse caso, temos 4 entradas e 8 configurações por entrada, o que perfaz o número total de amostras.

Figura 5. Configurações do DOE

Após a conclusão das simulações do DOE, a marca de verificação verde fica visível, como na Figura 3. Os designs com os resultados associados estão disponíveis para revisão (Figura 6)

Figura 6. A tela de resultados do DOE

A próxima etapa é clicar no ROM Builder e Export ROM (Figura 7). Há duas opções para exportar: o arquivo roms ou o arquivo fmu. Os roms podem ser lidos em uma nova sessão do Fluent. O fmu pode ser importado para o TwinBuilder para análise posterior. Neste exemplo, exportamos o arquivo roms.

Figura 7. Exportar ROM

A etapa final é abrir um novo arquivo do Workbench, abrir a sessão do Fluent e importar a ROM. Quando a sessão do Fluent for aberta, clique no modelo de ordem reduzida no menu Models. No painel, clique na guia “Evaluate” (Avaliar). Escolha a ferramenta de pós-processamento adequada, como contornos, e selecione as funções da célula ROM a serem visualizadas. Alterando os parâmetros usados para a criação do ROM, o efeito disso pode ser observado. A Figura 8 mostra que a velocidade mais baixa não gera um vórtice, enquanto a alta velocidade gera.

Figura 8. Avaliação da ROM para dois casos diferentes

A partir desse ponto, o usuário pode explorar muitas combinações diferentes dos parâmetros de entrada. O resultado estará disponível em segundos na tela.

Benefícios

O principal benefício do uso de ROMs na previsão de vórtices é a redução significativa do tempo e dos recursos computacionais. Isso permite a criação rápida de protótipos e a otimização, o que leva a ciclos de desenvolvimento mais curtos e à redução de custos.

Além disso, os ROMs permitem simulações e controle em tempo real, o que é particularmente vantajoso em aplicações industriais em que a tomada rápida de decisões é crucial. A capacidade de realizar vários cenários hipotéticos também aprimora o projeto geral e a eficiência operacional.

Os detalhes da geração de ROMs podem ser encontrados no vídeo abaixo.

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