Estamos cercados por máquinas rotativas. Bombas, ventiladores, compressores ou turbinas podem ser encontrados literalmente em todos os lugares: Em carros – ventiladores de ar condicionado, turbocompressores, bombas para combustível ou água, bombas de refrigeração para resfriamento de motor e bateria. Em nossos prédios e escritórios – de bombas de calor a compressores de geladeira, secadores de cabelo ou ventiladores de refrigeração eletrônicos em computadores. E, claro, a indústria e o setor de energia nunca funcionariam sem o emprego massivo de turbomaquinaria.
Bomba grande (impulsor e voluta) montada por um engenheiro
As dimensões dos impulsores e carcaças variam do tamanho de um salão industrial – como para turbinas a gás – a apenas alguns milímetros – por exemplo, para incorporar bombas de sangue. Uma grande variedade de fluidos e gases diferentes que podem ter propriedades bastante desafiadoras precisam ser transportados, como produtos químicos ou outros meios agressivos, gases quentes ou fluidos carregados de partículas. Às vezes, fenômenos como mudança de fase ou fluxo multifásico ou a interação do fluido com as partes sólidas precisam ser levados em consideração. Aplicações médicas como bombas de sangue (veja mais detalhes no exemplo apontado abaixo) ou equipamentos respiratórios precisam estar em conformidade com regulamentações rígidas de tecnologia médica. Também aplicações de alimentos e bebidas exigem altos padrões de higiene e, claro, sempre há requisitos de segurança que devem ser cumpridos.
Design tradicional versus métodos computacionais
Existem várias abordagens para projetar uma bomba, ventilador, compressor ou turbina. O primeiro passo é decidir sobre o conceito básico e determinar o tipo de impulsor: será um impulsor axial, radial ou de fluxo misto? Com ou sem estatores, palhetas-guia, difusores, volutas ou alojamentos? Será uma máquina de estágio único ou de múltiplos estágios? A maneira "tradicional" então é usar equações analíticas para definir as dimensões principais, bem como os ângulos de fluxo e, portanto, o formato das lâminas. Os cálculos são baseados nos dados de serviço necessários - fluxo de volume, aumento de pressão ou altura da bomba para o ponto de operação do projeto, a velocidade de rotação e as propriedades do fluido. O espaço de instalação disponível, o tipo de acionamento elétrico, bem como os materiais dos impulsores e alojamentos também podem ser relevantes. O projeto da lâmina e do alojamento pode ser realizado usando ferramentas de software disponíveis comercialmente ou personalizadas, planilhas ou até mesmo abordagens baseadas em papel e caneta.
Na realidade, processos de fluxo industrialmente relevantes são turbulentos e tridimensionais – isso é ainda mais relevante para o fluxo através de máquinas rotativas. Tais “efeitos do mundo real”, bem como espessura da lâmina, número de lâminas ou a influência de limpezas de ponta ou caminhos de fluxo secundários são negligenciados ou apenas levados em conta por meio de informações empíricas pelas ferramentas de projeto geralmente aplicadas. A lacuna entre o sistema idealizado e o real pode ser fechada com a ajuda das abordagens de simulação do Simcenter, modelando também o comportamento físico mais complexo e detalhes de geometria com alta precisão.
Visualização de resultados de fluxo 3D
Design do zero ou desenvolvimento incremental?
É prática comum para muitos fabricantes modificar incrementalmente projetos já existentes em vez de criar uma máquina completamente nova do zero. Após as mudanças serem implementadas, os protótipos precisam ser construídos e testados experimentalmente. O procedimento é tipicamente repetido várias vezes para encontrar um projeto que atenda aos respectivos requisitos, o que pode ser custoso e muito demorado. Além disso, com tal abordagem, desenvolvedores e engenheiros às vezes tendem a ficar em sua zona de conforto, perdendo assim o potencial para mais eficiência e inovação. Isso pode ser evitado aplicando cálculos CFD 3D ou mesmo métodos de otimização sistemática, envolvendo de forma abrangente todo o espaço de projeto disponível.
Otimização do espaço de projeto para máquinas rotativas
Melhorias de design normalmente exigem inúmeras iterações por meio de tentativa e erro. Ao alavancar técnicas de otimização automática, as máquinas podem ser projetadas significativamente mais rápido.
O Simcenter permite otimizar sistematicamente um design. Diferentes parâmetros de lâmina podem ser tornados acessíveis como variáveis durante a exploração do design, representando assim o formato da lâmina, as principais dimensões e o número de lâminas.
Geometria otimizada do impulsor da bomba
Dessa forma, também é possível abordar objetivos de simulação contraditórios – por exemplo, aumentar o aumento de pressão ou a altura manométrica da bomba e, ao mesmo tempo, reduzir a potência.
O gráfico mostrado aqui ilustra o tradeoff entre os dois objetivos. Cada ponto no diagrama representa um ponto de projeto do impulsor. A linha azul representa uma chamada frente de pareto, onde um objetivo não pode ser melhorado sem mudar o outro para pior. Ao fazer isso, centenas de projetos de impulsor de bomba podem ser comparados.
Análise do espaço de design com frente de pareto (linha azul)
Resolvendo desafios operacionais com modelagem avançada de comportamento de fluxo
Um desafio muito típico e frequente é a cavitação em uma bomba, que ocorre quando a pressão estática em um fluxo cai abaixo da pressão de vapor do fluido, formando bolhas cheias de gás. Elas são levadas para jusante com o fluxo e decaem novamente ao atingir áreas de pressão mais alta. Isso pode levar a efeitos indesejados ou até mesmo perigosos, como ruído, danos a estruturas ou vibração.
Um exemplo de como lidar com a cavitação com a ajuda das simulações do Simcenter STAR-CCM+ é demonstrado pela MORFO (Morfo Design Srl), uma startup e spin-off da Universidade de Florença, especializada no desenvolvimento aerodinâmico de turbo máquinas, que foi pioneira na integração de ferramentas paramétricas e de otimização com o Simcenter STAR-CCM+.
O indutor da bomba mostrado aqui aumenta a pressão do fluido criogênico enquanto minimiza os problemas de cavitação, que surgem devido às condições termodinâmicas na entrada (baixa pressão em relação à temperatura). Portanto, está melhorando significativamente a qualidade geral da bomba. A MORFO parametrizou o indutor com “Papillon”, sua própria interface gráfica. O Simcenter STAR-CCM+ foi então usado para realizar um estudo e otimização de CFD, usando vários recursos de modelagem para representar fenômenos complexos como mudança de fase e formulação e transporte de bolhas de gás, bem como a interação das bolhas com o fluxo de fluido. Para poder avaliar a eficiência do indutor e sua robustez contra a cavitação, é crucial representar os mecanismos de cavitação com precisão e examinar também o projeto variando a taxa de fluxo. O objetivo do desenvolvimento aqui era manter uma taxa de fluxo constante e determinar a menor pressão de entrada total possível sem que o indutor perdesse significativamente o desempenho em termos de taxa de compressão.
Indutor de bomba: geometria discretizada
Visualização de áreas de cavitação
Modelagem do comportamento do fluxo de fluidos especializados: bombas de sangue médicas
Outro reino onde o comportamento complexo do fluxo deve ser levado em conta são os dispositivos médicos. As bombas são usadas para várias aplicações médicas, por exemplo, para máquinas de suporte ao vivo, onde são usadas para manter a circulação sanguínea em emergências ou durante cirurgias, para ECMO (oxigenação por membrana extracorporativa) ou como bombas de diálise ou infusão.
Para bombas de sangue, é crucial operar de forma amigável ao sangue e reduzir a hemólise – destruição de células sanguíneas – bem como a trombogenicidade – coagulação do sangue. Isso pode ser alcançado com a ajuda do CFD 3D, limitando o estresse de cisalhamento no fluido, mantendo a temperatura do sangue abaixo da temperatura corporal e também tentando evitar áreas de fluxo estagnadas ou recirculantes.
Bomba de sangue com tensão de cisalhamento nas paredes
A Dinâmica de Fluidos Computacional é capaz de fornecer insights detalhados sobre o fluxo de fluido sanguíneo não newtoniano e permite otimizar a bomba de acordo. Boa eficiência da bomba significa baixo consumo de energia e também é uma meta importante.
A Terumo Corporation está desenvolvendo tecnologia de última geração, incluindo dispositivos de diagnóstico, dispositivos terapêuticos, terapia regenerativa miocárdica e dispositivos para mercados emergentes, e está usando CFD para desenvolver bombas de sangue para dispositivos cirúrgicos cardiovasculares. A introdução de uma ferramenta de exploração de design baseada em CFD permitiu aumentar a eficiência do desenvolvimento de bombas de sangue, lidar com variações das propriedades do sangue e, eventualmente, levar um design melhor ao mercado mais rapidamente. A equipe de exploração não é um departamento CAE especializado, mas está usando CFD junto com técnicas de otimização para aumentar a eficiência do processo de desenvolvimento do produto e levar um design melhor ao mercado mais rapidamente.
Resultados CFD visualizados: impulsor e voluta da bomba
Benefícios para PMEs: Gere máquinas rotativas eficientes, mais rápido!
Muitas PMEs estão frequentemente trazendo soluções especializadas para o mercado. Ferramentas de design para impulsores e alojamentos têm sido usadas por décadas e são baseadas em suposições simplificadas e informações empíricas, mas para permitir o comportamento físico do mundo real, procedimentos de teste de tentativa e erro muitas vezes caros precisam ser realizados ainda. O CFD 3D pode ser uma boa alternativa para testes físicos extensivos, permitindo insights que não são possíveis experimentalmente. Ao explorar sistematicamente o espaço de design, maior qualidade pode ser alcançada em menos tempo. Fluxos de trabalho sofisticados e automatizados permitem que engenheiros e desenvolvedores se concentrem mais em desafios de engenharia em vez de gastar tempo excessivo em tarefas de modelagem e permitem alavancar a tecnologia de simulação também para não especialistas. Claro que também outras disciplinas além do CFD, como mecânica de estruturas, podem ser abordadas com produtos de software da Siemens.
Como resultado, engenheiros e desenvolvedores podem alocar mais tempo e esforço para lidar com desafios complexos de engenharia, analisar resultados de simulação e implementar melhorias inovadoras de design. O uso da simulação Simcenter, disponível por meio de licenciamento e preços escaláveis, os capacita a tomar decisões informadas, melhorar o desempenho e otimizar o processo geral de design, resultando em tempo de comercialização mais rápido e maior qualidade.
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