Notas em CFD

Pyfoam: uma ferramenta de manipulação de casos

2012-01-23T14:05:00.006-02:00

Caros Leitores,

Se desejam automatizar e/ou realizar analises sofisticadas no openFOAM, o "aplicativo" denominado PyFoam pode ser uma ferramenta interessante. Pyfoam nada mais é que uma biblioteca de manipulação de arquivos desenvolvida em Python (linguagem interpretada de alto nível orientada a objeto). Entre as principais funcionalidades desta biblioteca estão: a compactação de dados de saída e avaliação de output na forma gráfica durante a evolução da simulação (bem semelhante aos softwares comercias), a manipulação dos arquivo texto de dicionário de forma durante o processo iterativo.

Como instalar esse "aplicativo"? Primeiro passo, em algumas distribuições alguns pacotes devem ser instalados, no caso do ubuntu basta instalar:

instalar os requisitos python-dev e python-numpy

baixar a versão mais recente do pyfoam no link abaixo:

http://openfoamwiki.net/index.php/Contrib_PyFoam#Downloads

descompactar o arquivo com o comando no terminal

tar -xvf PyFoam-0.5.6.tar

dentro da pasta PyFoam-0.5.6 descompactada abrir terminal executar o seguinte comando:

python setup.py install

Pronto o Pyfoam está instalado no sistema.

Para instalar em um local especificado basta executar o comando

python setup.py install --prefix=/home/nomeusuario/pastadeinstalacao

e incluir as seguintes variáveis de ambiente:

export PYTHONPATH=/home/nomeusuario/pastadeinstalacao/lib/python-2.3/site-packages:$PYTHONPATH

e

export PATH=/home/nomeusuario/pastadeinstalacao/bin:$PATH

Se o seu sistema for UBUNTU, basta instalar via terminal com o seguinte comando: sudo apt-get install pyfoam

Bem, uma vez instalado existem várias funcionalidades simples, porém interessantes. Podemos começar com a funcionalidade de verificação de caso, vá até a pasta "tut", entre em algum exemplo do tutorial execute o comando "pyFoamCaseReport.py --full-report .", deve aparecer toda a informação do caso setado, bem interessante quando não se conhece o caso. Cabe destacar que essa ferramenta não funciona para alguns solver mais recentes e complexos.

Outra funcionalidade interessante é o pyFoamPlotRunner.py. No caso no icoFoam, para ativar essa funcionalidade rode o icoFoam com o comando: pyFoamPlotRunner.py icoFoam. Assim, os gráficos de resíduo serão plotados no durante o processo iterativo. Infelizmente, essa funcionalidade aumenta o tempo de computação uma vez que consome recursos computacionais escrevendo os plots.

Se você já programa em python uma forma interessante é criar suas próprias forma de automatização utilizando as funções predefinidas na biblioteca pyfoam. No exemplo abaixo, o programa modifica a velocidade de uma condição de contorno especifica a partir do seu nome. Crie o arquivo texto com os seguintes comando:

#prototipo da chamada da função ParsedParameterFile da biblioteca pyfoam
from PyFoam.RunDictionary.ParsedParameterFile import ParsedParameterFile
# Arquivo que eu quero modificar
f=ParsedParameterFile("pitzDaily/0/U")
# percorrer todos os bondaryFields e modificar o campo com nome upper
for b in f["boundaryField"]:
if "upper" in b:
f["boundaryField"][b]["value"]="uniform (10 0 0)"
f["boundaryField"][b]["type"]="fixedValue"
#Escrever no arquivo U
f.writeFile()

Salvar o arquivo com o nome tes.py na pasta /incompressible/simpleFoam (pasta do tutorial que vou testar o programa python). Em seguida, executar o script com o comando "python tes.py" na pasta /incompressible/simpleFoam.

Bem, espero que este post seja útil de alguma forma.

Lançado o OpenFOAM 2.1

2011-12-19T14:43:00.003-02:00

Hoje, 19 de Dezembro de 2011, foi lançado o OpenFOAM 2.1

Dessa vez, a quantidade de atualizações foi significativa e, do meu ponto de vista particular, impactante.

Implementação do AMI, modificações na modelagem multifásica, inclusão de um novo modelo de turbulência e de combustão, novas implementações para as condições de contorno, inclusões de outros métodos numéricos, entre outras.

Estou quase migrando para a 2.1... quase.

Anúncio: NUMAP-FOAM no Brasil

2011-10-03T15:47:00.011-03:00

Numerical Modelling of Coupled Problems in Applied Physics

with OpenFOAM® (NUMAP-FOAM-Br)

Escola de Verão 2012 na Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola de Química e Programa de Engenharia da COPPE

Rio de Janeiro, RJ; 1 a 15 de Fevereiro de 2012

Em uma parceria, a Escola de Química e o Programa de Engenharia Química da COPPE anunciam a primeira 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 organizado pelo Prof. Hrvoje Jasak, desenvolvedor do OpenFOAM®. Em sua versão latina, o NUMAP-FOAM-Br está sendo organizado pelos integrantes do Laboratório de Termofluidodinâmica da COPPE/UFRJ e supervisionado pelos Profs. Luiz Fernando Silva (EQ/UFRJ) e Paulo Lage (PEQ/COPPE/UFRJ).

Descrição do evento

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. 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 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 os alunos de doutorado Jovani Favero e Livia Jatobá, entre outros. Tutoriais, palestras e trabalhos em grupo vão acontecer de 1 a 15 de Fevereiro de 2012 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 2012

Para participar, pedimos que escrevam em uma 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, mas 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 15 de Novembro de 2011. Os candidatos selecionados serão informados até o dia 20 de Novembro de 2011.

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) no valor de R$ 150,00 por participante. 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.

Tutorial para instalação do OpenFOAM-1.6-ext no Ubuntu 11.04

2011-09-07T13:40:00.007-03:00

Caros leitores,

Eu mais o Luiz Fernando estamos atualmente em Zagreb/Croácia participando da escola de verão (NUMAP Summer School 2011).

Nem precisa comentar que é uma experiência única. Tem experts em diversas áreas dentro da grande área de CFD e claro, estamos em contato direto com pessoas que conhecem a fundo o gigantesco "core" do OpenFOAM.

Mas sem mais demoras, a verdadeira razão por estar escrevendo este pequeno post é divulgar um tutorial sobre a instalação do OpenFOAM-1.6-ext no Ububtu 11.04 que O colega aqui do curso Nebojsa Gavrilov fez .

Reparem que em todos os comandos aparece OpenFOAM® ao invés de OpenFOAM. Tenham cuidado com o Ctrl C + Ctrl V, pois vocês devem usar somente OpenFOAM, sem o ®, senão terão problemas. Defendendo o Nebojsa agora, este não foi um erro dele, o próprio editor do site do OpenFOAM extended põem automaticamente o ®. Quem já escreveu lá sabe do que estou falando.

Bom, espero que o tutorial seja muito proveitoso a todos vocês. Algumas dicas eu já havia dado em um antigo post, mas considero o link acima mais completo e mais detalhado para iniciantes em linux.

Base de dados da Elsevier

2011-08-28T08:49:00.000-03:00

Recentemente fiz um curso de treinamento da Elsevier (oferecido gratuitamente na UFRJ através da biblioteca do CT).
Aprendi várias coisas legais. Não me cabe aqui discorrer sobre tudo que aprendi e não sabia, mas posso dizer três coisas:

O material de apoio, que nos foi entregue impresso no dia, e as apresentações estão disponíveis para download gratuitamente na internet. Vale apena dar uma olhada. O material é bem completo e permite ter um amplo entendimento sobre a plataforma da Elsevier. Depois de 6 anos fazendo pesquisas eu percebi que ainda não uso tudo que eu poderia usar.
Não consigo criar RSS de uma pesquisa no Chromium. Não consigo criar um RSS de uma pesquisa se não desabilitar o "bloqueador de pop-up". Essas são duas observações distintas. Eu já conhecia esse recurso a algum tempo, mas como não conseguia criar eu achava que o problema não era meu. Mas, ao ver que a palestrante não falou nada, eu percebi que podia estar ligado ao sistema operacional (uso o GNU/Linux) ou ao navegador. De onde conclui o que observei na minha máquina com o GNU/Linux. Por ter funcionado, não testei no Windows. Se não sabe o que é RSS, precisa ler esse tópico aqui e, se for de sua vontade, aproveite para assinar o nosso blog também ! :D
Eu aprendi a pronunciar "Elsevier" com a seguinte intonação: el-sé-vier. Mas a aprendi no curso que a pronuncia correta é: el-sê-vier. Encontrei essa informação histórica que explica isso. Resta saber se eu vou me acostumar com a nova forma de pronunciar a palavra.

Os segredos por trás de uma mancha de café

2011-08-24T16:12:00.001-03:00

Olá leitores,
hoje vi um vídeo que me fez lembrar como é complexa a análise dos efeitos da tensão superficial no estudo da mecânica dos fluidos! Ainda mais incluindo a presença de partículas de diferentes geometrias!

O vídeo mostra a movimentação de partículas em uma gota evaporando. Partículas esféricas possuem comportamento diferente de partículas em formato de bastão. Para complicar ainda mais a análise, foi realizado também um experimento onde a tensão superficial do líquido foi alterada pela adição de um tensoativo!

Achei o vídeo lendo um site sobre fluidodinâmica muito interessante: o Fuck Yeah Fluid Dynamics. O nome é sugestivo. Acho que os autores devem gostar bastante de mecânica dos fluidos! A propósito, não consegui encontrar muita informação sobre os autores, mas existem vários outros videos interessantes no site. Fica a dica.

Até a próxima.

Uma Nova Era no "Notas em CFD"

2011-08-23T08:22:00.002-03:00

Caros leitores, hoje, inauguramos uma nova era no Notas em CFD.

Primeiro, como os leitores que frequentam o site já devem ter percebido, foi feito uma remodelagem completa na última semana. Agora temos um design moderno, compatível com os novos templates do blogger.

Também foram criados páginas estáticas (observe a barra abaixo do título do blog) com informações sobre o blog, sobre os autores e informação de contato (por hora, há apenas uma forma de contato, mas no futuro ... quem saber ?). Para os novos leitores, a página sobre o blog poderá levá-lo a atmosfera de quando o blog foi criado, para quem nos lê desde sempre, trará (espero) um boas lembranças...

Outras pequenas modificações, como botões para facilitar a vida de quem quer compartilhar um tópico em redes sociais também foram feitas. Veja os botões em cada tópico.

[update] Um comentário me fez lembrar de colocar a página de comentários embutida na página do tópico. Mais um item para a lista de modificações [/update]

Mas talvez a modificação mais importante seja o domínio próprio. Sim, agora estamos com domínio próprio. Pode usar: http://notasemcfd.com ou http://www.notasemcfd.com.

Continuamos a utilizar a plataforma do blogger, então, os velhos nomes continuam funcionando. Nenhum link do site quebrou por causa dessa modificação.

Sejam bem vindos a essa Nova Era, que eu espero que seja de muito tópicos e interação.

Obrigado a todos (leitores e autores) por te feito desses mais de 4 anos de blog um sucesso.

SGI compra a OpenFOAM Ltda

2011-08-17T14:59:00.003-03:00

Havia passado despercebido por mim que no último dia 15 de agosto a SGI comprou a OpenFOAM Ltda, criou uma fundação (The OpenFOAM Fundation) para gerenciar o código fonte deu uma reviravolta na minha cabeça. Bom, exageros a parte, a reviravolta fica restrita a parte profissional da cabeça que lida com o OpenFOAM.

Francamente, ainda é muito cedo para dizer tudo que eu gostaria de saber, mas posso adiantar algumas coisas:

A SGI é uma das maiores empresas do mundo computacional, veja só a lista de produtos. Isso quer dizer que as forças envolvidas ganharam um upgrade e, o OpenFOAM, ganha status de competidor comercial.
O código fonte foi mantido na GPL, mas parece que eles vão endurecer as regras em relação a licença. Quero dizer: eles vão cobrar que licença seja respeitada pelos outros e, eu pelo menos, espero que eles apliquem essa exigência adicional neles mesmos também. Tenho esperanças, a SGI não é nenhuma empresa pequena que precise desse único produto para viver.
Alguma coisa vai acontecer. Não se iluda. Até o final do ano que vêm, alguma coisa acontece de significativo nessa história.
Tenha esperanças de que aquela guerra infantil sobre o uso da marca registrada tenha um fim e que a política de desenvolvimento seja de longo prazo, permitindo não haver grandes modificações no código fonte a cada versão lançada.

"Alea jacta est" (César, 49 A.C.)

simpleFoam: Estudando o fvSchemes

2011-08-16T19:50:00.002-03:00

Seguindo a mesma linha de raciocínio do tópico no qual apresentei o controlDict do simpleFoam chegou o momento de apresentar o fvSchemes (não deixe de ler esse texto se não entendeu porque estou fazendo isso agora).

O fvSchemes contém informações sobre os esquemas numéricos que são utilizados nas diferentes partes de discretização do modelo. O arquivo em questão está replicado abaixo.

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      fvSchemes;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

ddtSchemes
{
    default steadyState;
}

gradSchemes
{
    default         Gauss linear;
    grad(p)         Gauss linear;
    grad(U)         Gauss linear;
}

divSchemes
{
    default         none;
    div(phi,U)      Gauss upwind;
    div(phi,k)      Gauss upwind;
    div(phi,epsilon) Gauss upwind;
    div(phi,R)      Gauss upwind;
    div(R)          Gauss linear;
    div(phi,nuTilda) Gauss upwind;
    div((nuEff*dev(grad(U).T()))) Gauss linear;
}

laplacianSchemes
{
    default         none;
    laplacian(nuEff,U) Gauss linear corrected;
    laplacian((1|A(U)),p) Gauss linear corrected;
    laplacian(DkEff,k) Gauss linear corrected;
    laplacian(DepsilonEff,epsilon) Gauss linear corrected;
    laplacian(DREff,R) Gauss linear corrected;
    laplacian(DnuTildaEff,nuTilda) Gauss linear corrected;
}

interpolationSchemes
{
    default         linear;
    interpolate(U)  linear;
}

snGradSchemes
{
    default         corrected;
}

fluxRequired
{
    default         no;
    p;
}

// ************************************************************************* //

Da mesma forma que no caso do controlDict, esse arquivo também começa com o dicionário FoamFile e possui 7 outros dicionários (que na verdade o manual chama de sub-dicionário, porque é um dicionário dentro de outro dicionário, mas eu continuarei a defini-lo como dicionário nesse texto).

Todos os dicionários são obrigatórios, ainda que seja para dizer que não há termos dessa ou daquela característica no modelo/aplicativo que se está utilizando:

ddtSchemes - Discretiza o termo da derivada temporal do modelo, se existir. No caso, se o problema for estacionário (como o simpleFoam), usa-se steadyState como opção. Se o problema for transiente, as opções, segundo o manual, são: Euler, método de Euler de primeira ordem explícito, backward, método de Euler de segunda ordem implícito, CrankNicholson, método de Crank-Nicholson.
snGradSchemes - esse dicionário contém informações de como discretizar os gradientes normais da superfície, avaliado na face da célula.

As opções básicas são: corrected, correção explícita de não ortogonalidade da malha, uncorrected, sem correção não-ortogonal e limited, "correção" não-ortogonal baseada no valor de um parâmetro (phi).

O uso da opção limited consiste informar 'limited phi' na opção desejada e phi é um valor que varia de 0 a 1 tal que, de acordo com a tabela 4.7 do manual, :
gradSchemes - esquemas para discretização do gradiente. A rigor, há três métodos disponíveis, Gauss, leastSquare e fourth. São métodos tradicionais, onde os primeiros são de segunda ordem e o terceiro é de quarta ordem. O método de Gauss requer que o usuário defina o tipo de interpolação, dos quais linear e upwind são opções típicas.

No caso do simpleFoam, esse dicionário é responsável por discretizar o gradiente de pressão, grad(p), e o gradiente de velocidade grad(U).

divSchemes - esquema para discretização do termo divergente. Segundo o manual, há apenas uma única opção disponível, Gauss (existem a opção não documentada explicit, mas não vou falar sobre isso). Porém, há vários esquemas de interpolação e isso faz as coisas serem bem mais complicadas nesse dicionário.

Nem todos os tipos de metodologia de interpolação são indicadas para o divergente, é preciso saber escolher.
laplacianSchemes - esquema para discretizar o laplaciano. Segundo o manual, há apenas uma única opção disponível, Gauss, e não imagina a minha surpresa ao constatar que isso é verdade. A sintaxe é:

Gauss EsquemaDeInterpolacao snGradScheme

Tudo que eu posso fazer nesse ponto do estudo é contemplar as escolhas feitas nos tutoriais, ou melhor, a escolha feita. Todos usam Gauss linear. Pelo que pude entender, isso é mesmo o usual.

Também parece ser usual usar corrected ou limited e ajustar o valor do parâmetro phi conforme a necessidade entre 0, 0.333, 0.5 e 1. A maior parte dos tutoriais utilizaria 1. Digo utilizaria e não utiliza, por que, na verdade, os tutoriais utilizam a opção corrected.
fluxRequired - esse dicionário lista as variáveis que são acopladas com o calculo do fluxo, em outras palavras, são variáveis que dependem do fluxo para serem determinadas. Na dinâmica dos fluidos, a principal variável nessa lista é a pressão (quando há acoplamento pressão-velocidade). Há casos, em análise de sólidos, onde pode ser necessário calcular o fluxo de calor.

Nesse termo, ou o usuário está utilizando um aplicativo existente e o tutorial vai esclarecer quais são as variáveis que devem ser listadas aqui, ou o usuário é um programador que está criando o novo aplicativo e, portanto, saberá perfeitamente o que deve ser resolvido antes do fluxo ser calculado (afinal, a modelagem e a programação do código fará isso ser claro a ele!).
interpolationScheme - esse dicionário define o método de interpolação de uma certa variável na face. Embora exista uma grande quantidade de opções, isso não chega a ser um problema pois trata-se de uma simples interpolação da variável. No caso do simpleFoam, esse termos é responsável por calcular o valor da velocidade das faces do volume.

Importância do método numérico

Na descrição de todos os dicionários eu poderia ter escrito: "é necessário compreender bem o problema e o método numérico para fazer as escolhas adequadas". De fato, é fundamental conhecer o método numérico para escolher adequadamente as opções em cada termo.

O método numérico é o coração do código. É o que realmente é feito desde o começo. A modelagem é apenas um produto que deve ser visto com detalhes, claro, mas que é obtido com a "máquina". Dessa forma, é ilusão pensar que um usuário será capaz de dominar o OpenFOAM se não conhecer o mínimo dos métodos numéricos. Para dizer a verdade, é possível que ele tenha que conhecer os métodos numéricos de forma muito mais ampla do que se poderia imaginar. O fvScheme é a interface que seleciona o método de discretização e interpolação e, portanto, de funcionamento da máquina e depende do usuário fazer com que a metodologia seja suficiente para obter uma forma final adequada. Portanto, concluí-se que o usuário deve aprender como o método numérico funciona.

Entendendo um pouco mais sobre os dicionários de discretização

Permito-me copiar o termo de divergente descrito acima para esse ponto do texto.

divSchemes
{
    default         none;
    div(phi,U)      Gauss upwind;
    div(phi,k)      Gauss upwind;
    div(phi,epsilon) Gauss upwind;
    div(phi,R)      Gauss upwind;
    div(R)          Gauss linear;
    div(phi,nuTilda) Gauss upwind;
    div((nuEff*dev(grad(U).T()))) Gauss linear;
}

Esse termo possui uma chave definida como default e tanto aqui como na maioria dos dicionários desse e de todos os tutoriais, a opção para essa chave é 'none'. Nesse caso em especial, isso significa que todos os divergentes que vão ser resolvidos devem ser declarados manualmente no arquivo fvSchemes. Isso não é um grande problema quando se quer apenas resolver alguma coisa com mesma modelagem de um tutorial, mas se experimentar modificar o modelo de turbulência verá que há outras declarações que devem ser feitas. Nota: ao tentar resolver o caso, o OpenFOAM com definições incompletas o o programa vai emitir uma mensagem de erro, bem direta. É simples, mas chato e nem sempre rápido.

Usar uma opção diferente de none como default não evita que alguns termos tenham que ser declarados. Isso acontece porque o programador possui meios de forçar o usuário a declarar manualmente um certo termo. O programador faz isso porque acredita que o usuário deve olhar para aquele termo com mais atenção e carinho.

A grande questão da interpolação dos termos de divergente, gradiente e laplaciano

Descobri ao estudar o OpenFOAM que apenas depois de eu ter lido o manual do programador vou ser capaz de explicar melhor cada termo que aparece nesse arquivo.

Esse arquivo é, sem dúvida alguma, o mais complicado de todos os arquivos de configuração do OpenFOAM.

Mas eu insisto em colocar um recomendação básica simples nesse texto, além da evidente "aprenda métodos numéricos e estudo melhor o código do OpenFOAM". E a recomendação para o usuário considerar com carinho as opções usadas nos tutoriais e na ausência dessas usar linear ou upwind com um bom refino de malha. Não raro, o ideal é usar o método muito mais robusto, mas para fazer isso o usuário precisa aprender métodos numéricos. Se ele não quiser fazer isso, vai ter que se contentar com o que está escrito aqui.

Repito novamente para quem não está prestando atenção no texto: Para usar o OpenFOAM, com todo o poder que ele possui, é fundamental conhecer o método numérico.

Sim, estou sendo chato nisso, porque não é algo trivial e os usuários do FLUENT e do CFX não possuem esse pré-requisito para usar o que os programas possuem de bom. Por exemplo, esse programas possuem apenas 4 métodos de interpolação dos termos de divergente, gradiente e laplaciano. Eles normalmente escolhem o básico (tal qual foi minha recomendação aqui) e usualmente aplica os mesmo método a todos os termos mencionados. O OpenFOAM possui quase 70 métodos de interpolação que podem (e não que devem) ser usados nos termos de divergente, gradiente e laplaciano. E cada termo pode ter uma definição diferente. Faça uma escolha errada e adeus solução.

Informações adicionais e o manual do OpenFOAM

Infelizmente, o manual do OpenFOAM não é completo. O manual é muito, mas muito incompleto. Ok, todos os manuais são superficiais, mas informações como "algumas vezes o usuário será obrigado a declarar um dado termo no fvScheme que o programador exige que assim seja feito" ou mesmo a simples lista dos métodos disponíveis devia ser um pouco mais completa. Ter referências seria perfeito, mas não espere isso do manual do OpenFOAM.

Portanto, a melhor, senão a única, forma de aprender sobre os métodos do OpenFOAM é colocar a mão na massa e estudar o código. Sim, o código. A vantagem do OpenFOAM é o fato de ser código livre e lhe dar direito de ver exatamente aquilo que está implementado. Usar isso é o que torna possível ir além.

O manual do programador também ajudará muito na análise do problema, mas assim como o manual do usuário não vai dizer tudo que nós gostaríamos de saber.

Agradecimentos

Por fim, lembre-se, você certamente precisa de ajuda. Esse tópico, por exemplo, somente tem a quantidade de informações que ele possui porque eu tirei dúvidas com a Livia, o Jovani e o Luiz. Eles possuem mais experiências que eu, tanto no uso prático do programa, pois eu estou começando no OpenFOAM, quanto nos conceitos teóricos, pois o Luiz já lecionou uma disciplina apenas para falar sobre isso e eu, até hoje, não conheço os métodos além da superfície e não tenho grandes experiências com os diferentes métodos numéricos e de discretização disponíveis. Na verdade, isso é uma conclusão rápida derivada do fato de que os aplicativos são mal documentados. Não há caminho fácil se quiser realmente mergulhar no entendimento do OpenFOAM, mesmo como simples usuário.

Para não esquecer
Quero lembrar que ainda estou utilizando o OpenFOAM-1.6-dev. Apesar de haver algumas diferenças, nada do que apresentei aqui difere muito das versões posteriores. Isso não será sempre verdade no futuro, portanto, fique atento ao fato de que estou utilizando o OpenFOAM-1.6-dev.

OpenFOAM: o controlDict e o writeInterval

2011-07-14T19:38:00.003-03:00

Olá leitores,
no mês de maio o J.F.Mitre falou um pouco sobre arquivo controlDict no estudo de um caso tutorial do simpleFoam. O objetivo deste post é esclarecer um pouco mais sobre um dos parâmetros deste arquivo, o writeInterval.

O valor que deve ser especificado no writeInterval depende de uma opção definida no parâmetro writeControl. Um resumo das opções do writeControl e o respectivo valor que deve ser adotado no writeInterval estão listados em uma tabela logo abaixo.

Agora fique atento, não basta você modificar a opção do writeControl e passar a adotar aquela que for da sua preferencia. Cada solver foi desenvolvido de uma forma e aceita apenas algumas opções. Uma boa dica é trocar a opção do writeControl para uma palavra qualquer, como por exemplo "teste", e tentar executar o caso. O OpenFOAM irá mostrar uma mensagem de erro com as opções disponíveis para o seu caso. Escolha uma e siga em frente!

writeControl	writeInterval
timeStep	é o valor do período no qual os resultados da simulação serão salvos. Ou seja, para writeInterval igual a 20 e deltaT igual a 0.1, os resultados serão salvos a cada 2 segundos do tempo de simulação. Neste caso, as pastas com resultados serão nomeadas da seguinte forma: 0.2, 0.4, 0.6, ...., endTime.
runTime	é exatamente o valor de armazenamento do resultados. Ou seja, se o writeInterval é igual 0.1, os resultados serão salvos a cada 0.1 segundos do tempo de simulação. Neste caso, as pastas com resultados serão nomeadas da seguinte forma: 0.1, 0.2, 0.3, ...., endTime.
adjustableRunTime	é semelhante a opção runTime, a diferença é que esta opção modifica o valor do deltaT. É usado em alguns solvers com ajuste de intervalo de tempo automático, como alguns solvers de escoamento compressível.
cpuTime	semelhante ao runTime porém, neste caso, o valor de armazenamento dos resultados é o do tempo da CPU e não mais o tempo de simulação.
clockTime	semelhante a opção cpuTime, porém este é o valor é do somatório do tempo de CPU e do tempo necessário para leitura e gravação de dados, ou seja, o tempo da vida real.

Até o próximo post!

OpenFOAM® versão 2.0.0: mudanças na biblioteca thermophysicalModels

2011-07-04T14:08:00.002-03:00

No início do mês passado a OpenCFD lançou a versão 2.0 do OpenFOAM. A própria OpenCFD disponibilizou uma lista contendo as principais mudanças na nova versão. A proposta deste post é ressaltar aquela que eu considero a principal mudança na biblioteca thermophysicalModels: a nova sintaxe do arquivo thermophysicalProperties.

A biblioteca thermophysicalModels é responsável pela definição dos modelos para o cálculo de propriedades termofísicas. Propriedades como a massa específica, a viscosidade e o calor específico, por exemplo, dependem da temperatura e da pressão e, por este motivo, o usuário precisa especificar os modelos para o cálculo destas propriedades durante a simulação do seu caso.

Essa é função do arquivo thermophysicalProperties na pasta constant dos casos e a biblioteca thermophysicalModels estabelece as regras de entrada de dados neste arquivo. A principal mudança na versão 2.0 esta justamente na forma de entrada de dados no aquivo thermophysicalProperties. Portanto, se você usa algum solver contendo este arquivo, fique atento, pois o seu caso criado em uma versão 1.X não irá funcionar na versão 2.0! Será necessário atualizar a forma de entrada de dados do arquivo thermophysicalProperties!

A boa notícia é que essa mudança transformou a leitura de dados muito mais palatável para um ser humano! Antes o arquivo thermophysicalProperties se resumia a um conjunto de números e nomes de modelos que, a principio, não fazia o menor sentido para um primeiro leitor! Agora fica mais fácil identificar os parâmetros relacionados a cada modelo e o impacto para um usuário novato é menor! Mas como o mundo não é perfeito, o usuário ainda precisa consultar o User's Guide para saber o que cada nome de modelo especificado no thermoType significa na prática.

Somente para ilustrar a diferença na forma de entrada de dados, um trecho do arquivo thermophysicalProperties do solver XiFoam tinha a seguinte estrutura:

reactants reactants 24.8095 29.4649 200 5000 1000 3.28069 0.00195035 -6.53483e-07 1.00239e-10 -5.64653e-15 -1609.55 4.41496 3.47696 0.000367499 1.84866e-06 -9.8993e-10 -3.10214e-14 -1570.81 3.76075 1.67212e-06 170.672;

Agora, na versão 2.0, esta mesma informação é entrada da seguinte forma:

reactants

{

specie

{

nMoles 24.8095;

molWeight 29.4649;

}

thermodynamics

{

Tlow 200;

Thigh 5000;

Tcommon 1000;

highCpCoeffs ( 3.28069 0.00195035 -6.53483e-07 1.00239e-10 -5.64653e-15 -1609.55 4.41496 );

lowCpCoeffs ( 3.47696 0.000367499 1.84866e-06 -9.8993e-10 -3.10214e-14 -1570.81 3.76075 );

}

transport

{

As 1.67212e-06;

Ts 170.672;

}

Muito melhor, não!? Agora resta a expectativa que a sintaxe mais palatável seja estendida também para a definição dos modelos no thermoType! Tomara que não demore muito!

Até a próxima.

OpenFOAM 2.0

2011-06-20T14:30:00.000-03:00

No último dia 16 de junho foi lançada a versão 2.0 do OpenFOAM.

Todos os escritores do Notas em CFD atualmente utilizam a versão extended. Portanto estamos todos muito longe da versão 2.0, já que a 1.7-extended não saiu e, para dizer a verdade, agora, nem sei se vai sair (ou se vamos direto para o 2.0). Por outro lado, a Livia, devido a modificações feitas nessa nova versão, passará a utilizar a versão 2.0. Sendo assim, ela fará as honras da casa em um futuro próximo.

Eu continuarei na versão extended. Mantendo a 2.0 no computador a título de curiosidade científica.

O código fonte e binários dessa versão já estão disponíveis para download. Recomendo a quem quiser compilar o programa do código fonte usar o repositório git, uma vez que as pequenas correções, quando acrescentadas, são acrescentadas nesse repositório até que seja feita um pacote 2.0.1 (o terceiro número representa uma versão de correções e atualmente estaríamos na versão 2.0.0 !). Você encontra algumas informações legais sobre como instalar o OpenFOAM 2.0.x, a partir do repositório git oficial da OpenCFD, no blog do Alberto Passalacqua.

Boa sorte e não deixem de dar notícias e opiniões sobre a nova versão, aqui mesmo, nos comentários.

simpleFoam: Estudando o controlDict

2011-05-19T11:02:00.003-03:00

Há um grande interesse em simulações de escoamentos monofásicos, incompressíveis, sem transferência de calor ou massa, estacionária e turbulenta. E para essas simulações, há o simpleFoam. Vou escrever alguns textos sobre esse aplicativo que eu estou estudando, e vou começar do começo e ir até o código. Esclareço que não explicarei como instalar o OpenFOAM ou mesmo como é a estrutura básica de arquivos. Se interessar ou se for necessário, pode observar os slides nesse outro tópico do blog, especialmente o que está marcado como "dia 1".

Para mim não há melhor começo do que o tutorial e para isso eu seleciono o pitzDaily.

Para começar o estudo, eu sugiro copiar o tutorial em questão para seu diretório de rodada (se já não o tiver feito, claro).

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/simpleFoam/pitzDaily  $FOAM_RUN
cd $FOAM_RUN/pitzDaily

Não quero entrar em detalhes sobre a geração de malha. Isso porque o tutorial utiliza o blockMesh e eu não o considero uma alternativa produtiva quando comparada as soluções de trabalho que existem, portanto, pulo essa etapa pedindo que digite no diretório do caso:

blockMesh

Como isso é um tutorial, o próximo passo para ter a simulação pronta é digitar no terminal o comando:

simpleFoam

o que significa rodar o aplicativo para o caso estabelecido. Feito isso, o caso está pronto para ser visualizado no ParaView (paraFoam) ou em qualquer outro visualizador de sua preferência compatível. Mas isso apenas muito adiante.

Nessa série de estudos me interessa descrever toda a configuração do caso para compreender aquilo que pode (ou deve) ser modificado caso a caso.

Alerto que eu vou omitir o cabeçalho do arquivo apresentado.

O primeiro arquivo que vou analisar o é controlDict (e por isso o título do tópico). Todas as informações relevantes podem ser encontradas na documentação oficial.

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

application     simpleFoam;
startFrom       startTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         1000;
deltaT          1;
writeControl    timeStep;
writeInterval   50;
purgeWrite      0;
writeFormat     ascii;
writePrecision  6;
writeCompression uncompressed;
timeFormat      general;
timePrecision   6;
runTimeModifiable yes;

// ************************************************************************* //

A primeira parte do arquivo compõe um dicionário chamado FoamFile, que configura algumas informações características para os arquivos de entrada e saída. A tabela 4.1 da documentação do usuário explica alguns argumentos desse item. Reproduzo-o abaixo.

Bom, o controlDict é nome do arquivo (objeto) que é um arquivo de dicionário (class), a versão foi definida por alguém (e não me pergunte quem ou porque é 2.0), o formato desse arquivo é ascii (porque não é binário ! Afinal, você o está lendo). A localização (location) é uma configuração opcional e eu realmente não conheço motivo para querer utilizar essa opção.

Seguindo ao "dicionário" FoamFile existe uma série de palavras-chaves com seus respectivos argumentos. Adianto que no exemplo estudado aqui nem tudo que é possível utilizar foi utilizado. O formato dessas informações segue o estilo:
<keyword> <dataentry1> … <dataentryn>;
ou
<keyword> <dataentry>;

Quero descrever apenas aquilo que está no controDict aqui apresentado, para outras opções aguarde outros tópicos ou busque o manual do OpenFOAM.

application : contém o nome do aplicativo que resolve o problema. No nosso caso, simpleFoam. O OpenFOAM tenta manter a coerência dos nomes de aplicativos, objetos e referências sempre que possível, mesmo quando seria obrigatório, o OpenFOAM faz ser obrigatório para facilitar o entendimento.
startFrom : controla o instante de tempo que inicia a simulação. Há três opções possíveis, firstTime, que inicializa o caso a partir do diretório que representa o menor tempo, startTime, onde usuário define qual é o valor do ponto inicial, se zero, como no exemplo, produz o mesmo efeito que firstTime, e, por fim, o latestTime, que inicia a simulação a partir do último diretório de tempo criado e é muito útil para reiniciar rodadas.
startTime : quando startFrom é igual a startTime, o valor desse tempo deve ser especificado nessa variável. O tempo aqui e em todos os demais locais estão em segundos.
stopAt : controla o instante de tempo que encerra a simulação. Pode-se utilizar, endTime, writeNow, noWriteNow e nextWrite. A oção endTime define o ponto de conclusão como provavelmente o usuário escreveu na folha de papel. As demais opções são para interrupção antes de endTime. Sendo writeNow e noWriteNow imposição de interrupção imediata, porém no primeiro caso escrevendo o resultado final e no segundo sem escrever o resultado final. Normalmente, o intervalo de escrita dos resultados é bem maior do que o passo de tempo. Sendo assim, a opção nextWrite é quando o usuário quer esperar mais alguns passos de tempo antes de interromper a rodada, mas precisamente, esperar até a próxima escrita programada de dados para interromper.
endTime : variável que define o ponto de interrupção da rodada quando stopAt está especificado. É usual que isso seja necessário.
deltaT : intervalo de tempo da simulação.
writeControl : forma de controlar a escrita de dados. Vou me reter a explicar o que eu considero útil. A opção timeStep e a opção clockTime. A opção timeStep indica que será utilizado writeInterval intervalos de tempo para escrever os arquivos. É usual que essa opção seja utilizada em um caso transiente. A opção clockTime, pela natureza do funcionamento do OpenFOAM, me parece bem útil em simulações estacionárias com malha realmente grande, quando escrever o resultado uma ou duas vez por dia (intervalo de tempo marcado no relógio e sem vínculo com a simulação) é uma boa idéia por conta de backups.
writeInterval : este valor é o período em que os resultados da simulação serão salvos. No caso estudado deseja-se salvar a simulação a cada 50 passos de tempo. Uma dica para definir esse valor é primeiro escolher o intervalo de tempo que se deseja salvar os resultados da simulação, como a cada 1 segundo por exemplo, e o seu passo de tempo (deltaT), por exemplo igual a 0.5 segundos, então o valor que deve ser especificado no writeInterval é o resultado da divisão do tempo desejado para arquivo dos dados (1s) pelo deltaT (0.5s) e, portanto, igual a 2. Observe apenas que esse número deve ser um número inteiro, pois o resultado será salvo a cada writeInterval números de passo de tempo.
purgeWrite : serve para especificar quando o usuário quer que apenas os últimos purgeWrite valores de resultados escritos sejam guardados. Tem sua utilidade em casos transientes, mas sua verdadeira utilidade está nos casos estacionários (como o nosso). Utilizar purgeWrite igual a 1 fará com que apenas o último instante de tempo seja salvo, ou seja, exatamente o que interessa na simulação estacionária. Note que no nosso exemplo foi utilizado zero. Assim foi feito porque assim estava no meu tutorial, mas isso apenas significa espaço consumido no HD. O que é insignificante no caso do tutorial, mas faça isso com uma malha de 14 milhões de nós e vai entender o que quero dizer.
writeFormat : indica o formato do arquivo. Existem duas opções, ascii e binary. Normalmente eu uso ascii, mas...
writePrecision : indica o número de algarismos significativos dos resultados quando usar-se ascii na opção de writeFormat. O valor seis pode lhe parecer pequeno, mas se o número for muito grande há aumento do tamanho consumido pelos resultados. Não significa que um valor de 0.000000001 não seja representado. Pelo contrário, os zeros a esquerda são desconsiderados na hora de escrever esse número. O problema maior é quando o número é muito grande (maior que 999999). Nesse caso acontece um arredondamento sinistro (eu não tenho outra palavra!). Compare o valor do campo de velocidade do resultado simulado com a configuração padrão e modificando o valor dessa variável para 2 para ver o que eu estou falando. Use o instante de tempo de 100 segundos para melhor ver o arredondamento grosseiro na escrita.
writeCompression : informa se os dados escritos serão comprimidos (compressed) ou não possuíram qualquer compressão (uncompressed). Os dados comprimidos ocupam muito menos espaço, mas há o trabalho extra de comprimi-los. Nunca avaliei os custos envolvidos. Normalmente uso o padrão, que o uncompressed.
timeFormat : há opções, mas francamente, deixe em general. Essa opção configura o nome dos diretórios onde escreve-se os resultados.
timePrecision : novamente, falando francamente, deixe em 6 se usar o general no timeFormat. Essa valor configura o número de dígitos que será utilizado escrever os diretórios. Um problema é quando o tempo é muito pequeno, nesse caso, 6 seria um número ruim, porém, se seguiu meu conselho em timeFormat não precisará se preocupar com isso.
runTimeModifiable : configura se é (yes) ou não é (no) possível realizar modificações durante a rodada. Em termos práticos, a opção no (que não permite modificar as condições) somente faz sentido para simulações conhecidas. A vantagem é que o OpenFOAM não perde tempo verificando se o arquivo controlDict foi modificado a cada passo de tempo.

Existem algumas coisas a mais que podem ser feitas, como adicionar funções e bibliotecas, mas cada caso é algo muito particular e eu não conseguiria explicar tudo em um texto genérico. Um exemplo MUITO útil é a adição de pontos de monitoramento que já foi explicado nesse blog.

Acrescento, por fim, uma informação que eu não testei e que não está sendo utilizada nesse arquivo de exemplo mais é listada no manual, o graphFormat. Essa opção permite configurar o formato do arquivo facilitando a interpretação do mesmo em diferentes programas de produção de gráficos, como o gnuplot e o grace.

Como esse é o primeiro texto de uma série, cabe esclarecer que ela vai ser escrita porque eu estou fazendo do Notas em CFD o meu caderno de anotações e eu preciso aprender o que estou escrevendo. Sim, meus caros, eu estou estudando e compartilhando minhas anotações com outras pessoas. Estou utilizando o OpenFOAM-1.6-ext.

[update 29/05/2011]
Agradecimento especial a Livia pelas sugestões acrescentadas e modificadas na data dessa atualização no item writeInterval.
[/update 29/05/2011]

OpenFOAM no Windows

2011-03-20T10:13:00.004-03:00

Como já comentei em um post anterior, uma reclamação muito comum das pessoas que estão começando a usar o OpenFOAM (OF) é a necessidade de que, ao mesmo tempo, também devem começar a usar uma distro Linux.

Existem algumas alternativas para aqueles usuários de OF que resistem em não querer usar Linux. Uma alternativa é emular os programas de Linux usando o Cygwin, por exemplo. Este por sua vez é um ambiente Linux-Like para Windows. A principal crítica para isso (principalmente em se tratando de CFD) é a perda de eficiência computacional, ou seja, o Cygwin, por si próprio, consome recursos computacionais para emular o ambiente Linux.

Tendo isto em vista, começaram a surgir algumas compilações de OF nativas para Windows. Como estamos falando de códigos em C++, linguagem a qual o OF é programado, nada impede de se gerar uma versão compilada para Windows. O que é feito, em geral, é gerar uma versão para Windows usando o próprio Linux e o compilador MinGW. Isto elimina o problema de ter que emular usando o Cygwin e com certeza melhora a eficiência computacional na execução dos solvers e/ou utilitários do OF. Assim, no lugar de gerar binários do tipo Linux são gerados os executáveis Windows e em vez das bibliotecas dinâmicas .so são geradas as .dll.

Uma compilação nativa e gratuita (livre) de OF para Windows pode ser encontrada neste link. A instalação pode ser resumida em alguns passos (Obs.: usei o Windows 7 para o teste):

Baixar o arquivo executável neste link;
Baixar o arquivo instalador chamado OpenFOAM-1.5.00b-wininst.exe com aproximadamente 180 Mb;
Depois de baixado, dois clicks e é só seguir dando next, como todo instalador Windows;
Após uma instalação bem sucedida você deve ter na área de trabalho um link chamado OpenFOAM Designer;
Logo que é iniciado, o caso cavity é aberto e pode-se gerar a malha com o blockMesh e rodar o caso com o solver icoFoam;
O paraFoam não funcionou para mim. Uma opção é proceder como descrito nos items que seguem ou gerar os arquivos vtks, com o comando foamToVTK, e abrir estes arquivos .vtk diretamente no ParaView;
Se tentar abrir o ParaView no botão existente na interface superior irá dar um erro relacionado à plugins, mas ignorando esse erro o ParaView abre, apesar dele não coseguir ler corretamente os arquivos;
Copie os plugins libPV3FoamReader_SM.dll e libPV3FoamReader.dll contidos em: OpenFOAM-1.5\bin\plugins\paraview para um diretório em: graphics\Paraview-3.4.0\bin\plugins\;
Ir até o caso simulado e criar um arquivo vazio chamado nomedocaso.OpenFOAM;
Pedir para abrir novamente o ParaView e também pedir para não mostrar mais a mensagem relacionada a falta de plugins;
Com o ParaView aberto ir até o caso simulado e abrir o arquivo vazio nomedocaso.OpenFOAM;
Em teoria, fazendo isso, agora você já deve estar vendo seu caso simulado.

No diretório da instalação existe um arquivo de ajuda para o uso da interface gráfica: OpenFOAM Designer 1.0 - Quick guide.pdf.

Com os poucos testes que fiz posso destacar que o principal ponto positivo é a interface gráfica bem estruturada. O editor de arquivo reconhece as palavras chaves do OF e isto facilita bastante para usuários iniciantes. A simulação do caso cavity também procedeu bem rápido, como era de se esperar para um caso com uma malha tão pequena.

Como ponto negativo posso destacar a falta de muitos solvers e utilitários padrões no OF original. Por exemplo, você não encontrará o solver twoPhaseEulerFoam ou o utilitário checkMesh apesar de a interface gráfica dar a opção de se usar estes. O que realmente existe de solvers e utilitários nesta compilacao Windows pode ser vista no diretório de instalação bin\. Pode-se dar uma olhada neste diretório para se ter uma idéia de quais .dll e .exe estão disponíveis. Segundo o criador desta compilação, nas próximas versões poderá ser incorporado outros solvers e utilitários.

Bom, como não estava satisfeito com a limitação comentada acima, resolvi ver se conseguia algo melhor. Por sorte encontrei uma compilação para a versão 1.6 a qual pode ser encontrada aqui. Esta versão não apresenta a interface gráfica como na versão anterior, contudo me pareceu ter todos os solvers, utilitários e bibliotecas disponíveis na versão oficial do OF-1.6. Esta versão pode ser usada diretamente usando o MS-DOS, de forma similar como é feito no terminal (console) de Linux. Dessa forma, deve-se setar uma variável de ambiente, ou seja, digitar no prompt MS-DOS: set WM_PROJECT_DIR=C:\cfd\OpenFOAM no caso do diretório de instalação ter sido C:\cfd\OpenFOAM.

Ainda não satisfeito pensei, porque não usar a interface da primeira versão apresentada e, ao invés de usar os executavéis e bibliotecas daquela versão, usar os executáveis e biliotecas desta nova versão que está completa.

Assim, depois de descompactar a versão 1.6 copiei as pastas bin e etc e substitui as já existentes na minha instalação anterior da versão 1.5, a qual foi feita em: C:\cfd\OpenFOAM-1.5 que é a instalação feita por default.

Abrindo o OpenFOAM Designer já de imediato os novos solvers e dlls estarão disponíveis. Ao tentar usar algum aplicativo obtive mensagem de erro e logo pude concluir que era devido a não ter setado a variável de ambiente. Para setar esta variável de ambiente, clike com o botão direito em algum solver ou outro aplicativo qualquer e peça para costumizar (Customize). Isto abrirá uma pequena janela com 3 abas. Na aba Environment->Use custom environment variables digite WM_PROJECT_DIR=C:\cfd\OpenFOAM-1.5 ou algo similar de acordo com o local em que a instalação foi feita. Fazendo-se isto o aplicativo irá funcionar quando for chamando para executar usando a opção Start custom (Bazinga!).

Obs. 1: Para cada aplicativo que se queira usar deve-se fazer o procedimento de setar a variável de ambiente da forma descrita acima.
Obs. 2: Nem todos os casos existentes nos tutoriais da versao 1.5 servirá para a versão 1.6, tem diferenças entre as versões. Isto não é um problema uma vez que se pode baixar os tutoriais da versão do OF-1.6.

Minha recomendação destas versões Windows é somente para usuários que queiram fazer simulações pequenas, desejam usar algum dos solvers já disponíveis nesta compilação (a versão não vem com os códigos fontes) e que realmente sejam resistentes em usar Linux. Assim, vejo uma aplicação muito boa desta versão para fins acadêmicos, em disciplinas como mecânica de fluidos, transferência de calor e massa, etc, onde os alunos não estão ambientados com linux e o tempo é muito curto para ambientá-los e também o objetivo da disciplina é outro. Contudo, cabe também lembrar que algumas distros Linux estão se tornando cada vez mais amigáveis ao usuário, um exemplo disto é o Ubuntu. Além disso, o Linux é mais eficiente, ou seja, o OS consome menos recursos computacionais, deixando o poder computacional para ser usado no que realmente interessa, a simulação CFD.

Fica aí a dica então. Se alguém usa ou tem mais experiência de uso desta versão é útil deixar um comentário.

Relato de um concurso para professor - Parte 1

2011-02-10T00:01:00.000-02:00

Olá pessoal,

Tem muito, muito, muito tempo que eu não escrevo nada aqui no Notas em CFD. Bem, isso tem um motivo. Como o Mitre comentou aqui, eu assumi o cargo de professor na Escola de Química da UFRJ em agosto de 2009. Estive bastante ocupado desde então, seja com o preparo de aulas para diferentes disciplinas (Segurança de Processos, Transferência de Calor, Fenômenos de Transporte, Mecânica dos Fluidos II, Métodos Numéricos Aplicados e Laboratório de Engenharia Química), processos administrativos ou orientação de alunos de graduação e pós. Desta forma, o Notas acabou ficando um pouco de lado nesse período conturbado, mas o Mitre e os novos autores do Notas mandaram bem nesse meu período de ausência e postou vários assuntos.

De qualquer forma, acredito que existem alguns leitores que estão fazendo pós-graduação e almejam um cargo de docente em alguma universidade. Portanto, achei interessante comentar aqui no blog como ocorreu o meu concurso, as dificuldades, o acaso da sorte, a banca, etc.

Fiz o concurso para professor adjunto na área de Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias (2 vagas), sendo que o candidato seria avaliado com uma prova escrita, uma defesa de memorial, uma prova didática e a avaliação de currículo. Para as provas, a ementa era quase que engenharia química toda. De fato, a ementa do concurso estava assustadora e, de cara, afastou vários candidatos ao cargo. Veja abaixo a íntegra da dita:

Escoamento incompressível. Análises Lagrangeana e Euleriana. Fluidos ideais. Equações de Euler e Bernoulli. Fluidos reais. Equação de Navier-Stokes. Balanço macroscópico de energia. Escoamento em tubulações e acidentes. Perda de carga. Bombeamento de fluidos. Curva característica e cavitação.
Teoria da camada limite. Escoamento sobre placas planas. Equação de Prandtl. Soluções de Blasius e Von Karman.
Turbulência. Média temporal das equações da continuidade e do movimento para fluidos incompressíveis. Tensões de Reynolds. Perfis de velocidades próximo a paredes. Modelos para o fluxo turbulento de momento linear.
Fluidodinâmica em sistemas particulados. Força de arraste e coeficiente de arraste. Velocidade terminal. Lei de Stokes. Grupos adimensionais. Efeitos de parede, população e da forma da partícula. Correlações e problemas típicos.
Separação sólido-sólido, sólido-gás e sólido-líquido em sistemas particulados diluídos. Elutriação, câmaras de poeira, ciclones, centrífugas e hidrociclones.
Escoamento monofásico em meios porosos. Conservação de massa e momento linear via teoria de misturas. Força resistiva. Modelos de Darcy e Forchheimer. Ensaios de permeametria. Perda de carga em meios porosos.
Separação sólido-líquido em sistemas particulados concentrados. Filtração em superfície. Filtros prensa e de tambor rotativo. Auxiliares de filtração. Sedimentação. Teste de proveta. Cálculo da área da seção transversal e da altura.
Fluidização. Gases versus líquidos. Queda de pressão versus velocidade superficial. Histerese. Velocidade, porosidade e altura mínimas de fluidização. Conservação de momento linear das fases via teoria de misturas. Correlações para a fluidização homogênea.
Condução térmica uni e multidimensionais em regime estacionário e em regime transiente. Balanços de energia em coordenadas cartesiana, cilíndrica e esférica. Aletas.
Convecção em Escoamentos Internos e Externos. Camada limite térmica. Problema de Graetz. Convecção natural e convecção forçada. Ebulição e Condensação.
Trocadores de calor. Métodos de Projeto. Aplicações.
Radiação. Propriedades radiantes. Corpos negro e cinza. Lei de Kirchhoff. Fator de forma. Troca de calor radiante entre superfícies negras e não negras.
Fundamentos da Transferência de Massa. Mecanismos. Relações de Fluxo- Lei de Fick e relação de Maxwell-Stefan. Regime Estacionário. Regime Transiente. Coeficiente de Difusão.
Transferência de Massa em Sistemas binários e multicompostos. Modelos teóricos para a transferência de massa na interface fluido-fluido. Coeficientes de transferência de massa.
Transferência de movimento e massa simultâneo.
Transferência simultânea de calor e de massa.
Processos de Cristalização e Secagem.
Processos de Separação e Operações de Separação em Estágios. Conceito de Estágio de Equilíbrio. Separação em 1(um) estágio de equilíbrio.
Destilação Binária e Multicomposta. Projeto e Condições de Operação.
Colunas de Recheio para Absorção, Esgotamento e Destilação.

Concordam comigo? Isso é quase o currículo de engenharia química toda! Contudo, a área do concurso (Fenômenos de Transporte e Operações Unitárias) é isso tudo mesmo. Mas fico me perguntando se essa ementa gigantesca é válida para um concurso de docente. Usualmente, apenas três ou quatro tópicos são sorteados para serem usados efetivamente no concurso. Portanto, achei a ementa bastante exagerada. Conheço pessoas que não fizeram o concurso justamente pelo tamanho da ementa.

Mas... As regras estavam postas na mesa e tive que aceitá-las. Eu e mais 5 pessoas nos inscrevemos no concurso em dezembro de 2008. Comecei a estudar para valer no início de fevereiro, sendo que o concurso estava marcado para início de abril. Estudei muito, tópico por tópico, preparando resumos como se fossem aulas (ou esboço de aulas). Sempre deduzindo as equações, etapa por etapa e avaliando todas as hipóteses e simplificações. Note que é isso que se espera ser cobrado em um concurso para professor.

Faltando uma semana para a data do concurso, eu ainda não tinha começado a estudar os tópicos de destilação binária, multicomposta e colunas de recheio. Tive que correr no estudo destes assuntos e consegui acabar tudo uns dois dias antes do concurso. Mas confesso que não estava muito seguro nestes últimos pontos. Paciência!! A vida não é justa e perfeito, só Deus mesmo.

O concurso
A banca de avaliação foi toda composta de professores titulares, sendo 2 da própria Escola de Química e 3 de diferentes universidades do Brasil. Mas todos pesos-pesados na área e a presença deles impunha respeito aos candidatos.

Para falar a verdade, o número de candidatos se reduziu no dia do concurso. Dos 6 candidatos que se inscreveram, apenas 3 compareceram (sendo eu um deles). Mesmo assim, conforme já comentei, a ementa era gigantesca e isso continuou sendo o maior dos meus problemas. Afinal de contas, uma prova escrita mal realizada significa o fim do concurso.

A banca dividiu o concurso da seguinte maneira:

Primeiro dia: Sorteio de 4 tópicos da ementa, sendo 3 para prova escrita e 1 para a prova didática. Realização da prova escrita. Por fim, a leitura da prova em público.

Segundo dia: Divulgação da nota da prova escrita. Defesa do memorial e divulgação do assunto da prova didática (24 horas antes da realização da mesma). Nesse meio tempo, a banca faria a avaliação dos currículos.

Terceiro dia: Realização da prova didática (uma aula de ~50 minutos) e, no fim do dia, divulgação do resultado.

Primeiro Dia
No início do concurso, a banca pegou uma folha em branco e começaram a escrever números de 1 a 20 (o número de tópico do concurso). Cortaram a folha com os vários números e colocaram tudo dentro de um saco para realizar o sorteio das questões das provas. Achei isso legal pois foi bem transparente uma vez que a banca fez tudo na frente dos candidatos.

A banca pediu que cada um dos candidatos sorteasse um papelzinho. Eu estava tenso pois sabia que, apesar de ter estudado, não dominava todos os assuntos da ementa. Aí eu ficava repetindo "Destilação, não! Destilação, não! Destilação, não" a cada papelzinho sorteado. Acho que essa foi a sorte do ano para mim. Não saiu nenhum tópico de destilação mas os itens 1 (Bernoulli e Navier-Stokes), 4 (Lei de Stokes) e 8 (Fluidização) da ementa. No final, um professor sorteou mais um papelzinho com o tema para a aula didática e logo lacrou-o em um envelope sem ver o número. Só saberíamos do tema depois da defesa do memorial.

Tivemos uma hora para preparar um resumo (uma folha de almaço) que poderia ser consultado durante a prova. Logo depois, 4 horas de prova! E, em seguida, a leitura da prova em público.

Neste ponto eu deixo uma observação. Para exemplificar o procedimento de um balanço de massa sobre um volume de controle genérico, eu fiz um desenho sem muitos detalhes escritos. A leitura da prova se aplica apenas à reprodução exata das palavras que foram escritas e não a desenhos. Como eu me baseei no desenho para partir a dedução do balanço, como eu poderia ler para a banca e ao público um desenho que só tem indicações de vetores, volume e área? Para quem conhece o assunto até dá para entender o propósito da figura, mas isso deve ficar registrado na prova de forma clara. O ideal seria ter feito uma legenda explicando exatamente a intenção do escopo daquela figura na dedução e dando "nome aos bois", como os vetores velocidade e normal, volume e área do volume de controle.

Em contrapartida, eu também fiz um desenho na questão de fluidização sobre as regiões do gráfico de queda de pressão em função da velocidade de fluidização. Neste caso, eu dividi a figura em regiões (I, II, III, etc.) e expliquei cada uma em separado no corpo da questão. Desta forma, não tive problema nenhum com a leitura da questão pois o próprio texto referenciava a figura. Ficou mais fácil assim. Este pode parecer um pequeno detalhe, mas que faz a diferença quando estamos sendo avaliados.

Vocês já devem ter percebido que eu fui aprovado na prova escrita e, portanto, continuei com as outras etapas do concurso. Eu quero continuar a história, mas este post já está longo demais. Portanto, vou dividi-lo em duas partes e na segunda parte eu escrevo sobre a defesa do memorial e sobre a prova didática.

Um abraço!

A Turbulência através de imagens

2011-02-01T13:00:00.001-02:00

O fenômeno da turbulência certamente gera algumas das mais belas imagens que a física pode fornecer ao homem. Não permite compreender todas as perspectivas do problema, claro, mas isso não torna a tarefa menos agradável aos olhos.

Gosto de iniciar a uma apresentação visual mostrando as observações de Leonardo Da Vinci.

Trata-se da primeira visualização registrada do fenômeno da turbulência. Esse desenho abaixo retrata o enchimento de uma piscina por um jato de água produzido por uma seção quadrada.

Como disse antes, a turbulência é caótica, mas é possível perceber que ela possui estruturas coerentes. Veja :

e também em:

A turbulência inicia-se pela desestabilização do escoamento laminar. Note que a esquerda o escoamento está bem organizado enquanto a direita é completamente caótico.

Algumas imagens que são apresentadas nesse texto foram obtidas no site da efluids.com e disponibilizadas aqui apenas com fins educativos (de acordo com a autorização do próprio site). O mesmo site também disponibiliza uma série de vídeos envolvendo turbulência, além de outras observações fenomenológicas. Para quem tiver o interesse e tiver paciência de ver cada filme, certamente observará algumas imagens fascinantes.

GPU dos games à computação científica

2011-01-11T15:09:00.027-02:00

Olá leitor! Meu nome é Fábio Santos, sou aluno de doutorado do Laboratório de Termofluidodinâmica (LTFD ) do Programa de Engenharia da COPPE/UFRJ.

Bem, muitos de vocês leitores durante a adolescência (ou até hoje como eu) passaram horas jogando aquele game com gráficos sensacionais, que geralmente tinha como requisito mínimo aquela bendita placa de vídeo poderosa. Então, sabe essas placas, foram se desenvolvendo ao ponto de ganhar um espaço na computação científica. Mas como toda essa mudança de paradigma ocorreu??

A princípio os microprocessadores baseados em CPU, tais como da família Intel e AMD Opteton, aumentaram a sua performance e reduziram seu custo vertiginosamente nas últimas duas décadas. Mas como sabemos, para algumas aplicações esses avanços não foram suficientes, assim surgindo a necessidade de códigos paralelos para o uso de clusters de computadores afim de nos propiciar centenas de GFLOPs ( bilhões de operações de ponto flutuante por segundo). Contudo, essas CPUs foram desenvolvidas para o processamento serial, e portanto, não foram otimizadas para realizar a tarefa de paralelizar códigos.

Então onde entram as placas de vídeo nessa história???

As GPU (Graphics Processing Unit) são placas aceleradores de imagem otimizadas para paralelismo e renderização de imagens. Devido a essa otimização, as GPU atingem picos de velocidade que superam qualquer CPU existente. Por exemplo, uma GPU Nvidia Fermi pode ser cerca 250 vezes mais veloz que um Intel Core i7 quad (uma das CPU mais rápidas hoje no mercado) utilizada de forma sequencial.

Agora você deve estar se questionando: "o que faz esses dispositivos serem tão rápidos?" A resposta é simples. A filosofia do design das GPUs são significativamente diferentes, já que as placas de vídeo devem ser capazes de executar um número massivo de operações de ponto flutuante por frames de vídeo. Para isto, esses hardwares executam um número muito grande de threads simultanemante, enquanto um outro grande número de threads aguarda a latência de memória, minimizando assim o controle lógico de execução de tarefas. Ainda nessa arquitetura, pequenos cache de memória são utilizados para auxiliar o controle de memória, evitando que diferentes threads acessem várias vezes a memória DRAM. Consequentemente, mais áreas de chips são utilizadas para operações de ponto flutuante.

Eu tenho uma GPU. Como rodar meus códigos??

Existe uma linguagem de programação própria. Na verdade, não é uma linguagem, mas sim uma API, um conjunto de padrões de linguagem de programação, denominada de CUDA. Primeiramente essa API foi baseada na linguagem C. Entretanto, hoje a mesma tem suas variações em Fortran e Python.

E onde CFD e FEA entram nessa história???

A Ansys_inc inicia seu interesse fazendo acordos de colaboração com a Nvidia para o desenvolvimento de aceleradores em CUDA, começando pelo Mechanical ( ANSYS Unveils GPU Computing for Accelerated Engineering Simulations ). Atualmente, em CFD já existe um pluggin OpenFOAM-CUDA que acopla o OpenFOAM com um solver de sistemas lineares desenvolvido em CUDA, denominado SpeedIT. Mas isso ficará para o próximo post! Enfim, se você joga ou jogava games para workstation (rs) é bem provável que vá gostar de programar na sua placa de vídeo usando algumas dessas APIs ( PyCuda, Cuda ou Fortran Cuda)...

Instalação do OpenFOAM-1.6-ext

2010-12-06T01:18:00.004-02:00

Como já havia comentado em um post passado o OpenFOAM-1.6-ext estava pra sair. Bem, agora ele saiu (já fazem alguns dias).

Esta nova versão é fruto do esforço conjunto de vários desenvolvedores no sentido de fazer com que partes específicas do software fiquem sob responsabilidades de desenvolvedores especializados naquela área. Em sua área, cada desenvolvedor fica responsável pela correção de bugs, novas implementações, testes de códigos, criação, revisão e atualização de tutorias, etc.

O repositório passou a ser o Git e não mais SVN. O git apresenta uma série de vantagens em relação ao svn, para citar uma, um melhor controle de versões. Além disso, uma ênfase especial foi dada aos softwares auxiliares, ou seja, aqueles que se encontravam no diretório ThirdParty que agora está interno ao diretório OpenFOAM-1.6-ext. Essa nova versão realmente é um marco e vocês poderão ver por si próprios as melhorias conseguidas já na primeira versão extended lançada.

Vou deixar uma nota rápida falando da instalação do OpenFOAM-1.6-ext no Ubuntu, assumindo que a instalação seja feita em /home/usuarioX/OpenFOAM. Os tópicos abaixo resumem a "receita de bolo" para proceder a instalação:

Entrar no diretório do OF: cd OpenFOAM
Clonar o repositório git (obs.: precisa ter o git instalado):
git clone git://openfoam-extend.git.sourceforge.net/gitroot/openfoam-extend/OpenFOAM-1.6-ext
Carregar as variáveis de ambiente do etc/bashrc do OF (veja o arquivo README no caso de dúvidas):
. $HOME/OpenFOAM/OpenFOAM-1.6-ext/etc/bashrc
Instalar o programa rpm, caso o sistema não seja baseado neste tipo de pacotes (sistemas baseados em Debian, ou o Ubuntu como no meu caso):
sudo apt-get install rpm
Certificar-se que os programas: bison, binutils-dev, flex, libstdc++5 e libxt-dev estejam instalados, caso contrário os mesmos devem ser instalados.
Para que os programas da ThirdParty sejam baixados e compilados deve-se fazer uma pequena alteração no arquivo Allwmake: descomente a linha ( cd $WM_THIRD_PARTY_DIR && ./AllMake ) deste arquivo.
Caso se deseje usar o mpi do sistema pode-se renomear o arquivo prefs.sh-EXAMPLE para prefs.sh (este arquivo encontra-se no diretório OpenFOAM-1.6-ext/etc) e descomentar as linhas que exportam as seguintes variáveis de ambiente: WM_MPLIB, OPENMPI_DIR e OPENMPI_BIN_DIR. Para a variável OPENMPI_DIR deve-se fornecer o diretório onde o open mpi está instalado.
Com isso feito basta executar o script Allwmake no diretório principal da versão. Percebe-se que o OF-1.6-ext mudou e agora a ThirdyParty está neste mesmo diretório. O processo de compilação e instalação também foi modificado para dar facilidade ao usuário. Esta mudança deve-se principalmente aos esforços do grupo desenvolvedor e, nessa parte, em especial a Martin Beaudoin.

Algumas observações:

1 - Pode-se encontrar problemas na compilação do ParaView se a variável de ambiente QT_DIR não estiver corretamente setada, para setá-la: export QT_DIR=/xx/xx/qt4 e export QT_BIN_DIR=/xx/xx/qt4/bin ou pode-se usar o arquivo prefs.sh para esta tarefa, basta descomentar as linhas que exportam essas duas variáveis dando o local de instalação do Qt para QT_DIR. No caso do paraview pode-se também optar pelo que é fornecido pelo próprio repositório do Ubuntu que é facilmente instalado via terminal ou usando o synaptic.

2 - No Ubuntu é normal não se ter o gmake, mas este é usado na compilação do ParMGridGen-1.0. Para criar o gmake no Ubuntu: sudo ln -s /usr/bin/make /usr/bin/gmake

3 - Problemas com o ParMetis-3.1.1 podem ocorrer. Se isso acontecer deve-se ir até o source desse programa, abrir o Makefile e remover as linhas onde se faz o make para o diretório Programs, por exemplo: (cd Programs ; make ) , etc. Uma vez feito isso deve-se gerar novamente o arquivo compactado, pois este será chamado e usado na compilação.

4 - Pode-se também querer baixar e compilar o QT, neste caso basta descomentar a linha export QT_THIRD_PARTY=1 e dar o caminho correto do diretório de instalação para a variável QT_DIR

Apesar de não ter feito a instalação em distros baseadas em rpm, acredito que a instalação do OF nesses sistemas seja mais fácil e sem problemas. No caso de distros baseadas em Debian também acredito que as dicas acima sejam suficientes, pois foi isso que tive que fazer no Ubuntu.

Espero que isso ajude na instalação desta nova versão.

Dr. J. F. Mitre - Parabéns!

2010-11-30T15:57:00.018-02:00

Olá leitor! Meu nome é Livia Jatobá e este é o meu primeiro post aqui no Notas em CFD. Sou aluna do Laboratório de Termofluidodinâmica (LTFD) do Programa de Engenharia da COPPE desde 2008.

Estou aqui, em nome de todos do LTFD, para falar de um colega de blog e também de Laboratório, o J. F. Mitre.

O João é um grande contribuidor para o desenvolvimento de pesquisa da área! Ele esta sempre disposto a ajudar e é ainda um pesquisador bastante versátil. Tira dúvidas desde as restrições dos modelos de escoamento multifásico à aplicações mais complicadas que você consegue encontrar no Linux! Mesmo quem não tem o privilégio de trabalhar diretamente com ele é capaz de perceber isto. Basta já ter lido um de seus posts aqui no Notas em CFD ou mesmo em seu próprio blog.

Hoje, João Felipe Mitre, concluiu o seu doutorado! Sim, Dr. J. F. Mitre, parabéns! Todos nós do LTFD gostaríamos de parabenizá-lo por esta grande conquista! E a comunidade científica agradece pela publicação de sua tese, sob título: "Modelos de quebra e coalescência de gotas para o escoamento de emulsões". Um leitura "rápida" de apenas 400 páginas!

Já estamos esperando pelas suas novas contribuições!

Um grande abraço.

O Projeto OpenFOAM® - Extend

2010-11-07T19:13:00.007-02:00

A falta de informações mais detalhadas explicando a enorme quantidade de códigos que compõe o software OpenFOAM sempre foi uma das primeiras senão a principal reclamação de quem está começando a usar este software - isso quando não é pelo fato de ter que usar Linux :).

Desse modo, a escassa literatura sobre o que está implementado no OF sempre foi um problema, pois convenhamos que o User e o Programer's Guide são fraquinhos e não dão conta do recado para ajudar suficientemente quem está começando a desenvolver seu primero solver. Assim, até hoje ainda, uma das principais referências sobre o OF acaba sendo o seu fórum de discusão no cfdonline.

Só para deixar claro, o OpenFOAM® é uma marca registrada pela OpenCFD Ltd que mantêm o mesmo como um código livre e aberto (ou sob GNU General Public Licence). A OpenCFD atua dando suporte e oferecendo treinamento além de trabalhar no desenvolvimento do código, seja para fins privados ou para aquilo que existe de novo entre diferentes versões. Dessa forma, fica claro que, para a OpenCFD não é nada vantajoso uma distribuição detalhada de informações sobre o código do OF, senão quem iria pedir suporte ou treinamento??

Bom, sem brincadeira isso parece verdade como pode ser visto num post no cfdonline onde o Holger Marschall, o qual pretendia criar o então chamado FOAM Documentation Project (um lugar para reunir as mais variadas e detalhadas informações sobre o OF), expõe seu desapontamento pelas atitudes da OpenCFD para com ele, vejam em detalhes neste link.

Em contrapartida a isso surgiu o OpenFOAM®-Extend Project. Esse tem como objetivo ser um espaço para os usuários do OpenFOAM-ext, ou seja, os antigos usuários do OpenFOAM-dev fornecido pelo Prof. Hrvoje Jasak que é quem trabalha no core do OF e que é o principal desenvolvedor e mantenedor desta versão. Assim, a idéia é que este espaço seja um ambiente de troca de informações entre os usuários e desenvolvedores de códigos no OF. Além disso, pode-se criar grupos de discussão sobre temas específicos, trabalhar em projetos de desenvolvimento em conjunto, anunciar bugs, depositar seu código para futuro incorporamento ao código principal, enfim, deixo-lhes a vontade para navegar pelo site do projeto e também criarem uma conta se desejarem.

Bom, como vi que poucas pessoas estavam sabendo sobre este tema (o projeto OpenFOAM®-Extend) resolvi criar esta rápida nota sobre isso e acredito que o recado foi dado. Só uma última notícia quentíssima para os usuários de OF-dev, a nova versão está saíndo do forno, ou seja, OpenFOAM-1.6-ext está chegando muito em breve.

Usando pontos de monitoramento no OpenFOAM

2010-07-31T00:51:00.014-03:00

O uso de pontos de monitoramento (PM) é extremamente útil em simulações CFD. Um ponto de monitoramento nada mais é do que um "ponto", com coordenadas (x,y,z), inserido pelo usuário em um local estratégico da geometria para fins de ter o valor de uma variável salva para cada passo de tempo. Em outras palavras, como em simulações CFD não é possível salvar a solução para cada célula da malha e para cada passo de tempo (haveria a necessidade de muito espaço em disco), o uso de pontos de monitoramento é uma opção para se ter o valor de alguma variável (salva em cada passo de tempo) em alguns locais estratégicos da geometria.

Vou descrever aqui como fazer isso no OpenFOAM. A versão de OpenFOAM que estou tomando como base é a OpenFOAM-1.5-dev. Acredito que funcione da mesma maneira em outras versões, mas quero deixar claro que não testei.

Primeiramente vamos até o arquivo controlDict, localizado dentro do diretório system, pois vamos ter que acrescentar algumas linhas de informação no final desse arquivo. O que deverá ser acrescentado está a seguir:

// ****************************************************************************** //

functions
(

// O nome que o usuário que dar ao ponto de monitoramento
pontoMonit1
{

// Especifica que a utilidade probes será a usada
type probes;

   // Essa biblioteca deve ser carregada
functionObjectLibs ("libsampling.so");

   // Localizações dos pontos de monitoramento. Modificável em tempo de execução
probeLocations
(
   (1 0 0) // coordenadas do primeiro ponto de monitoramento
   (1.5 0 0) // coordenadas do segundo ponto de monitoramento
);

   // Campos (variáveis) que serão monitoradas. Modificável em tempo de execução
fields
(
   tau // gera dados para o campo de tensão "tau" (do tipo symmTensorField)
   U // gera dados para o campo velocidade "U" (do tipo vectorField)
   p // gera dados para o campo de pressão "p" (do tipo scalarField)
   ? // .... outro campo desejado
);
}
);

// ****************************************************************************** //

Feito isso, logo que começamos a simulação, um diretório com o nome dado ao ponto de monitoramento (no caso acima pontoMonit1) é criado dentro do diretório do caso. Dentro deste diretório tem um novo diretório que especifica o tempo inicial daquele ponto de monitoramento, se for começado no tempo 0 (zero), então este diretório terá o nome "0". Dentro deste último diretório (Ufahh!) estarão os arquivos contendo os dados dos pontos de monitoramento. O funcionamento dos arquivos é o seguinte: cada novo campo tem seu próprio arquivo com seu nome e os diversos pontos de monitoramento ficam dentro de um mesmo arquivo.

Os arquivos gerados estão no padrão OpenFOAM de representação tensorial, veja o exemplo ilustrativo abaixo para o caso do vetor velocidade:

# Tempo ponto de monit. 1 ponto de monit. 2
1.19998e-05 (1.44637e-05 -1.50596e-11 0) (1.44637e-05 -1.91593e-11 0)
2.63988e-05 (3.17809e-05 -1.25082e-11 0) (3.17809e-05 -1.14036e-12 0)
4.36766e-05 (5.2514e-05 9.46453e-12 0) (5.2514e-05 5.30116e-12 0)

Estes dados não estão prontos para o uso direto em softwares como xmgrace ou gnuplot. Para facilitar o tratamento desses dados um shell script foi criado (o Mitre começou e eu incrementei mais algumas coisas posteriormente). Este scrip opera sobre os arquivos de probe do OpenFOAM para que seja possível o uso desses dados em editores de gráficos. Além de gerar os arquivos de dados para programas de geração de gráficos, o script permite também, se o usuário pedir, a criação automática de gráficos usando o xmgrace (estando o software corretamente instalado em sua máquina). O shell script está disponível para download no link abaixo:

foamProbe

O uso do script segue a notação:

$foamProbe {diretório dos PM} {número de PM} {nome do campo} {opcional: 0 - abre no xmgrace, 1 - salva em arquivo eps}

Note que este arquivo deve ter propriedades de executável e caso voce não coloque ele em um diretório visível ao seu sistema, como o diretorio "bin", por exemplo, você poderá ter que usar: $./foamProbe

Para o caso mostrado aqui tem-se (estando dentro do diretório do caso):

Para criar arquivos para 2 pontos de monitoramento para o campo U:
$foamProbe pontoMonit1/0/ 2 U
ou para abrir no xmgrace:
$foamProbe pontoMonit1/0/ 2 U 0
ou para criar automaticamente .eps:
$foamProbe pontoMonit1/0/ 2 U 1

Com isso o diretório probeU será criado dentro de pontoMonit1/0/ contendo os arquivos de dados prontos para serem usados com os programas gráficos preferidos.

Bem, espero que, este post + o script, ajude aos usuários do OpenFOAM na hora de fazerem o pós-processamento.

Fluidos Visco-Elásticos

2010-07-17T23:06:00.044-03:00

Como este é meu primeiro post aqui no blog, vou começar com uma breve introdução sobre minha pessoa, falar do que fiz em minha graduação e mestrado, para depois apresentar-lhes o ponto principal do post que é comentar sobre fluidos viscoelásticos e o solver viscoelasticFluidFoam.

Meu nome é Jovani, sou formado em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia pela Universidade Estadual do Rio Grande do Sul (UERGS), mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e atualmente faço doutorado em Engenharia Química na Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ).

Comecei a trabalhar na área de fluidodinâmica computacional (CFD) durante minha graduação, numa iniciação científica. Na ocasião, desenvolvi um código CFD para simular dispersão de poluentes em solos. A experiência foi muito interessente, pois tive que desenvolver um código CFD do zero, ou seja, criar geometria, malha, aplicar discretização usando volumes finitos (FVM), implementar meus próprios esquemas de interpolação, resolver o sistema algébrico-diferencial de equações resultantes da discretização espacial, além de programar muito.

Lembro-me de ter implementado diferenças centrais (CD) e ainda enquanto estava resolvendo somente difusão tudo estava perfeito, mas bastou colocar o termo advectivo para surgirem as famosas oscilações na solução e obrigar a buscar outro esquema de interpolação. O que está implementado atualmente é o esquema WUDS. Este esquema usa um medidor difusão/advecção para poder dosar entre CD/upwind. O código foi desenvolvido inicialmente em Linux para execução em console. Posteriormente, trabalhei no desenvolvimento de uma interface gráfica em Linux, usando Qt, e também numa versão Windows para o software. Agora já faz algum tempo que o código está parado.

A versão Windows do software está disponível para download neste link e tem implementado a solução de difusão, advecção, sorção e geração/degradação (para processos de (bio)remediação) em todo o domínio ou localizada. Esta versão foi compilada em Windows XP, mas roda tranquilamente no Vista e no 7, assim como em máquinas virtuais no Linux (e no emulador Wine ele executa sem problemas também). Existe até um paper publicado na revista Eng. sanit. ambient. com algumas informações sobre a modelagem usada. O software pode ser usado para simular problemas simples (devido a limitação de geometria que pode ser usada) de transferência de calor e massa.

Durante o mestrado continuei trabalhando com CFD e, diga-se de passagem, em uma área um pouco mais complexa. O objeto de estudo foi a área de fluidos viscoelásticos, a qual vou-lhes introduzir nos parágrafos posteriores.

Quando se fala em Mecânica dos Fluidos, a maioria pensa automaticamente em escoamentos de fluidos de características newtonianas, de que os exemplos mais comuns são o ar e a água. Apesar da grande aplicação dos fluidos newtonianos, a maioria dos fluidos sintéticos industriais (indústria de polímeros principalmente a de terceira geração a qual promove a transformação dos materiais poliméricos em produtos finais), inúmeros fluidos de relevância biológica, entre outros, apresentam características claramente não newtonianas:

A geologia tem demonstrado que o movimento do gelo glacial, o escoamento de lava dos vulcões e a sua posterior solidificação são fenômenos só corretamente descritos, quando se assumem modelos de comportamento reológico não newtoniano.
O sangue é um fluido de constituição físico-química complexa, formado por moléculas de grandes dimensões e elevado peso molecular em solução num fluido de baixo peso molecular e estruturalmente simples. Estes são os ingredientes para um fluido com características viscoelásticas. A saliva e o fluido sinovial, que lubrifica as juntas ósseas, apresentam um elevado grau de elasticidade extensional.
Fluidos diversos como as tintas decorativas, as tintas de impressão, as colas, os produtos de cosmética e beleza, os medicamentos, os produtos alimentares no estado líquido (ketchup, iogurtes, molhos), inúmeros produtos alimentares que, apresentando-se aos consumidores no estado sólido ou em pó, passaram em processo por uma fase líquida (sorvetes, produtos de confeitaria, massa de panificação), os sabões e detergentes, alguns óleos com aditivos de massa molecular elevada ou contendo partículas no estado sólido, fluidos lubrificantes utilizados na perfuração de poços de petróleo e gás natural, petróleo bruto, plásticos no estado líquido (polímero fundido), alguns fluidos térmicos, lamas de estações de tratamento de águas residuais, todo o tipo de lamas provenientes da indústria extractiva, fluidos abrasivos, etc. De fato, a lista de fluidos não newtonianos é muito extensa do que uma lista de fluidos com características newtonianas.

Mas o que é realmente um fluido com reologia viscoelástica?? Pode ser definido simplificadamente como sendo um fluido que se comporta como viscoso e elástico ao mesmo tempo. Um material elástico ideal, sob uma tensão, responde com deformação reversível. Ao cessar a tensão o corpo retorna à sua forma e volume original. Já um material viscoso, quando sob uma tensão de cisalhamento, responde de forma irreversível as deformações sofridas. O fluido viscoso dissipa energia. Fluido viscoelástico faz um pouco de cada coisa, ou seja, dissipa um pouco e armazena o restante. O que vai dizer o quando vai ser dissipado ou armazenado são as próprias características do fluido. O tempo de relaxação, por exemplo, é uma dessa características.

As figuras que seguem ilustram fenômenos tipicos de fluidos viscoelásticos:

Inchamento de extrudado (die swell). Fluido Newtoniano na esquerda e fluido viscoelástico na direita (Fonte: Bird et al., 1987):
Experimento rod-climbing. Fluido Newtoniano na esquerda e fluido viscoelástico na direita (Fonte: Bird et al., 1987):

Outra questão interessante é que todos os fluidos demostram um pouco deste comportamento. Por exemplo, o vidro usado em janelas se apresenta no estado sólido, mas com o passar do tempo, em construções mais antigas, se percebe que a parte inferior da lâmina de vidro é mais espessa que a superior, ou seja, o vidro escoou, o tempo de relaxação do vidro foi superado e devido a gravidade escoou e se acumulou na extremidade inferior. Este é um caso onde o tempo de relaxação é grande. Se pegarmos uma chapa de aço esse tempo é tão grande que não percebemos mudanças. Por outro lado, estamos cercados de fluidos com tempo de relaxação muito pequeno, a água (típico fluido newtoniano) é um desses casos. Se pularmos na água de uma altura muito grande, ou seja, fazermos com que o tempo de relaxação da água seja maior do que o tempo de ação de nossa força nela, vamos ter a sensação de colidir com algo sólido. Por isso que não se pode pular na água de lugares muito altos, pois literalmente, o que aconteceria, era se esborrachar. No youtube se encontram vários vídeos onde as pessoas andam sobre uma piscina contendo fluido não-newtoniano.

Em condições normais de pressão e temperatura o ar encontra-se muito concentrado e tem um tempo de relaxação de fenômenos elásticos da ordem dos 10e-13 s. Como a maioria dos fenômenos que observamos na biosfera terrestre tem tempos característicos significativamente superiores, o ar encontra-se em equilíbrio e as suas propriedades reológicas podem assim ser consideradas como newtonianas. Contudo, se um gás se encontrar rarefeito, e até no estado de plasma, os fenômenos de dinâmica gasosa terão tempos característicos da mesma ordem de grandeza dos tempos de relaxação e colisão inter-molecular, não sendo neste caso já possível considerar essa matéria como tendo propriedades newtonianas, nem válida a hipótese do meio-contínuo (vejam neste post do Mitre). Ora, a matéria nesse estado rarefeito, dito de plasma, constitui a quase totalidade da matéria do universo.

Depois dessa introdução aos fluidos viscoelásticos cabe falar um pouco do tratamento usando CFD. Não vou me estender no equacionamento. Uma visão simplista mostra que a diferença em relação aos fluidos newtonianos é a necessidade de uma equação constitutiva mais sofisticada para o tensor tensão. As equações constitutivas encontradas são do tipo diferencial ou integral e, diga-se de passagem, um tanto complexas. Na minha dissertação de mestrado, disponível nesse link, tem muita coisa a respeito da modelagem e tratamento CFD para resolver este tipo de fluido.

O trabalho sobre fluidos viscoelásticos surgiu pela necessidade da industria de processamento de polímeros, que trabalha com fluidos viscoelásticos em processos de moldagem, injeção, extrusão, etc. Assim, o enfoque principal foi para esta aplicação. A industria de processamento de polímeros conta hoje com bons softwares para simular os processos descritos anteriormente, contudo com um porém, a maioria dos softwares simulam somente fluidos não-newtonianos e não propriamente fluidos viscoelásticos. Isto, principalmente devido a complexidade da simulação dos fluidos viscoelásticos e as vezes por falta de conhecimento do pessoal da industria. O software Moldflow é um dos mais conhecidos na industria de polímero. Simula fluido não newtoniano, do tipo power-law, Bird-Carreau, ..., e sua licença é caríssima. O software Polyflow, da Ansys, é um dos poucos que trata fluidos viscoelásticos. O problema é o valor da compra e manutenção da licença.

Tendo conhecimento do software OpenFOAM (OF), livre e de código aberto, optou-se por criar o solver para tratar escoamentos com fluidos viscoelásticos nesse software. Uma vez feito isso teríamos em mãos um solver mais genérico e com aplicações em problemas variados, sem limitações de geometrias e malhas, possibilidade de usar várias ferramentas sofisticadas de CFD, processamento paralelo, técnicas multigrid, enfim, usar tudo o que o OF tem a oferecer e de forma gratuita.

O solver criado foi batizado com o nome viscoelasticFluidFoam é está disponível, já faz algum tempo, na versão OpenFOAM extended ou dev (OF-dev). O solver é usado como qualquer outro existente no OF e para facilitar o uso tem alguns exemplos no tutorial do software. A quantidade de modelos implementada é vasta, ou melhor, todos aqueles que encontrei enquanto fazia a revisão bibliográfica para minha dissertação de mestrado. O solver vem sendo usado por muita gente, principalmente pessoas de fora do brasil. Como já comentado, está disponível na versão OF-dev que pode ser conseguida usando o seguinte:

svn checkout http://openfoam-extend.svn.sourceforge.net/svnroot/openfoam-extend/trunk/Core/OpenFOAM-1.5-dev/ OpenFOAM-1.5-dev/

Sugere-se a leitura desse post, do Luiz Fernando, que dá maiores informações sobre este assunto. Para usuários de sistema operacional Ubuntu 10.04 tem uma maneira muito fácil de ter o OF-dev operacional (créditos ao CAE-Team), basta executar 3 comandos:

sudo add-apt-repository ppa:cae-team/ppa
sudo apt-get update
sudo apt-get install openfoam-dev-1.5

e carregar as variáveis de ambiente do mesmo com:

source /usr/lib/OpenFOAM-1.5-dev/etc/bashrc

no terminal em que o OF-dev será executado.

Pode-se também compilar o solver na versão OpenCFD do OF. No fórum do cfdonline tem um post que comento a respeito disso, vejam aqui.

O código do solver também pode ser visualizado diretamente do repositório (viscoelasticFluidFoam). As equações constitutivas para fluidos viscoelásticos, por sua vez, estão em uma biblioteca a parte (viscoelastic). Alguns utilitários para pós-processamento também foram criados (utilities).

Bom, quem sabe um dia, posso voltar a falar mais a respeito do solver viscoelasticFluidFoam.

Hipótese do Contínuo

2010-04-05T14:00:00.001-03:00

Fluidos são compostos por moléculas que colidem umas com as outras e com objetos sólidos. A hipótese do contínuo considera que os fluidos são contínuos. Ela assume que o fluido é dividido por corpos/partículas que são:

pequenos o suficiente para que todas as suas propriedades (como temperatura e densidade) possam ser consideradas uniformes e
que são grandes o suficientes para conter um número estatisticamente grande de moléculas

O perfil de densidade em função do volume do corpo estabelecido em uma certa posição (figura acima) pode ser ilustrado pela figura abaixo.

O gráfico acima deve ser interpretado não apenas como a densidade em função do volume do corpo, mas também como a densidade em função do número de moléculas que existem dentro de um certo volume. Quando o volume é pequeno, o número de moléculas é pequeno, a inclusão/exclusão e a densidade pode alterar significativamente com o volume.

A hipótese do contínuo requer que exista um número significativo de moléculas dentro do volume do corpo de forma que a densidade altere-se continuamente com o volume.

A hipótese do contínuo é basicamente uma aproximação e resulta, portanto, em soluções aproximadas. Consequentemente, adotar a hipótese do contínuo pode levar a resultados que não possuem a acurácia desejada. Contudo, aplicado nas condições corretas, a hipótese do contínuo produz resultados extremamente acurados.

Os problemas para os quais a hipótese do contínuo não fornece uma acurácia satisfatória são resolvidos usando mecânica estatística. De modo a determinar quando se deve ou não usar a teoria de fluido dinâmica convencional ou a mecânica estatística, o número de Knudsen deve ser avaliado para o seu problema. O número de Knudsen é definido como a trajetória livre média das moléculas aplicadas a uma escala de tamanho física representativa. Esta escala de tamanho pode ser, por exemplo, o raio de um corpo em um fluido. De forma mais simples, o número de Knudsen representa a média de quantas vezes a partícula (molécula) se move em relação ao seu diâmetro até atingir (colidir) com outra partícula. Problemas com números de Knudsen próximos ou acima da unidade são melhores representados usando a mecânica estatística para soluções mais confiáveis.

É muito importante ter em mente que TODA a mecânica dos fluidos clássica requer que a hipótese do contínuo seja válida.

Portanto, escoamento de gás diluído em nano-poros (em alguns casos, micro poros) não pode ser objeto de estudo da mecânica dos fluido clássica e, obviamente, não pode ser objeto de simulação CFD.

Da mesma forma, o volume mínimo de um elemento de malha é teoricamente limitado pela quantidade de moléculas que estarão dentro daquele volume, ou seja, o volume mínimo de um elemento da malha deve ter moléculas suficientes para que a densidade seja descrita como uma função do contínuo. Infelizmente (ou não !) a real limitação é a memória RAM da máquina que gera a malha e do cluster que irá resolver as equações no domínio definido por ela. O que não impede que exista vários exemplos na literatura (que não vale apena citar aqui) onde o CFD foi aplicado sem validação apropriada da hipótese do contínuo.

Na prática, embora eu tenha dado um tom alarmista nesse último parágrafo, a verdade é que a maior parte dos escoamentos são perfeitamente descritos pela mecânica do contínuo, as exceções tradicionalmente envolvem gases diluídos em canais muito pequenos (poros).

Por ser a base de tudo que fazemos na mecânica do fluidos, considero ser muito importante a imagem do que essa hipótese significa e a melhor imagem que eu tenho de um fluido incompressível pode ser ilustrada pela figura abaixo...

Eu olho para essas piscinas de bolas e vejo água (quando essa pode ser considerada incompressível, claro), porque é exatamente assim que nós modelamos a água. Fonte: site da CBS.

Caso fosse um escoamento compressível, cada bola deve ter a capacidade de ter seu volume alterado sem diminuição do número de moléculas que estejam contidas na bola, assim, o modelo mais apropriado seria de uma piscina de bexigas de festa de aniversário... dá para imaginar a cena ? Pois é ... esse é um fluido genérico.

Vale observar que não existe o "espaço intersticial" entre os volumes que compõem um fluido e que a forma desses volumes não é relevante. Outro ponto interessante é que sobre cada corpo que compõem o fluido aplicam-se todas as leis da mecânica básica (como a segunda lei de newton) e que aplicação da mecânica básica nesse corpo de fluido nos permite escrever o que é conhecido como o Teorema de Transporte de Reynolds. Assunto que será discutido nesse blog em algum dia futuro !

Devo compartilhar a autoria desse texto como Luiz. Ele começou a rabiscar o texto e eu modifiquei e completei, mas aproveitei muito do que ele escreveu. Infelizmente eu não sei como colocar dois nomes em um texto do blogger (e isso nem mesmo faz muito sentido para mim). Seja como for, fica aqui o registro do fato.

As duas primeiras figuras utilizadas nesse texto foram obtidas do livro "A Course in Fluid Mechanics with Vector" de Dennis C. Prieve, 2001, cuja a versão antigamente podia ser gratuitamente obtida na internet em sua página pessoal. Infelizmente não consegui localizar o livro na sua fonte original novamente.

Gnuplot: Tipos de pontos e linhas

2010-03-22T14:00:00.004-03:00

Agora que já aprendemos o básico sobre o gnuplot, eu posso começar a passar dicas mais simples e específicas sobre o uso do programa, voltando-o para aplicações científicas.

Uma pergunta que eu sempre me faço ao fazer um gráfico é qual o tipo de ponto/linha que eu devo utilizar. Em um programa gráfico, normalmente você percorre uma lista até conseguir achar aquela especificação que mais te satisfaz.

No gnuplot o tipo de ponto é especificado com a opção 'pt N' e o tipo de linha é especificado com a opção 'lt N', onde N é um número inteiro que representa o código da linha. O grande "problema" é que o número não diz nada sobre o tipo de linha. Dessa forma seria gasto tempo desnecessário consultando um manual para saber qual é o tipo que quer usar.

O que eu faço é usar o gnuplot para gerar gráficos que me dizem quais são os códigos dos tipos de linhas e pontos disponíveis.
A figura abaixo (clique nela para ampliar) apresenta 39 tipos de pontos. Existem formatos adicionais de pontos, mas sou da opinião que se não conseguir resolver o seu problema com os 15 primeiros formatos deve reconsiderar o gráfico, embora essa seja uma opinião bem pessoal sobre o problema.

Os pontos nessa figura possuem o tamanho 3. O tipo de coisa que pode ficar bem ruim em um gráfico final, mas é excelente para ver bem o ponto.

Um exemplo de comando plot está abaixo.

plot "dados.dat" using ($1):($2) title "Ponto Tipo 10" with points pt 10

Esse comando cria um gráfico de pontos a partir do arquivo dados.dat usando a coluna 1 para o eixo X e a coluna 2 para o eixo Y e com o estilo de ponto tipo 10, ou seja, o triângulo vazado de cabeça para baixo.

Quanto aos tipos de linhas, a figura a seguir (clique nela para ampliar) apresenta todos os 9 tipos de linhas disponíveis atualmente. De fato, eu escrevi no código até o tipo 11, mas isso tem dois objetivos, o primeiro identificar quando surgir um novo tipo de linha e o segundo provar que quando acaba a lista de estilos, o ciclo se repete, ou seja, o tipo 10 é o tipo 1 e tipo 11 o tipo 2, etc. Isso também acontece com os pontos, mas eu não faço idéia de quando a lista de pontos termina.

Acredito que todos concordem que os tipos de linha estão bem nítidos nesse figura. Estou usando espessura de linha tamanho 4 (lw 4). Na espessura padrão (lw 1) as diferenças entre os tipos de linhas podem não ficar tão fáceis de serem percebidas.

Um exemplo de comando plot está abaixo.

plot "dados.dat" using ($1):($2) title "Linha Tipo 5" with lines lt 5

Esse comando cria um gráfico de linhas a partir do arquivo dados.dat usando a coluna 1 para o eixo X e a coluna 2 para o eixo Y e com o estilo de linha tipo 5, ou seja, alternando traço longo e um ponto.

Disponibilizo para os interessados o arquivo do gnuplot, plt, que gera as figuras acima. O que me faz lembrar que eu não havia dito no tópico anterior que um mesmo arquivo .plt pode gerar tantos gráficos quanto forem desejados. E, por favor, não espere muitos comentários escrito dentro do arquivo, do meu ponto de vista, esse plt é importante pelo resultado não por ele mesmo.

E as cores ? Bem, sabe tudo que você leu acima ? Continua válido. Agora você terá de adicionar uma opção a mais que é a 'lc'. As cores padrões disponíveis podem ser vistas na figura abaixo (clique nela para ampliar). De forma similar aos tipos de linhas, existem 9 cores básicas e depois começamos a repetir as cores. Repare que a figura representa o tipo 1 e 2 de linhas com todas as cores básicas disponíveis.

De forma que

plot "dados.dat" using ($1):($2) title "Tipo 5 Cor 2" with lines lt 5 lc 2

cria um gráfico de linhas a partir do arquivo dados.dat usando a coluna 1 para o eixo X e a coluna 2 para o eixo Y e com o estilo de linha tipo 5, ou seja, alternando traço longo e um ponto e a cor 2, ou seja, verde.

Quando eu digo cores básicas, eu quero dizer, que o gnuplot aceita qualquer cor que possa ser representada pelo código RGB, eu, francamente, acho isso inapropriado em gráfico científico.

Eu não acho que faça algum sentido colocar a figura para os tipos de pontos, mas o arquivo plt que gera a figura anterior (que é diferente do primeiro) gera também um pequeno exemplo de configuração das cores em pontos, embora adicionar 'lc N' onde N é o número da cor na linha de plot do gráfico não me parece algo tão misterioso assim...

Ah ! Ainda não descobri se a abordagem dessa ferramenta agrada a uma audiência que espera notas sobre CFD. A verdade é que fazer gráficos é uma das tarefas de qualquer pesquisador e muitos dos leitores desse blog usam o GNU/Linux, LaTeX e OpenFOAM e portanto são candidatos perfeitos ao uso do Gnuplot. Me deixem saber se esse tipo de assunto agrada, ajuda ou não.

Um coisa que eu, infelizmente, percebo é que muitos alunos pensam que porque utilizam uma ferramenta que permite "visualizações fantásticas e complexas", os velhos gráficos bidimensionais de linhas e pontos devam ser descartados. Isso definitivamente não é verdade. Na maior parte das vezes, são os "simples" gráficos 2-D que trazem a maior parte das informações relevantes, bem como são o formato básico de comparação de resultados experimentais com o obtido por CFD. Ainda que a ferramenta não agrade, a importância desses gráficos não deve ser menosprezada.

Introdução ao fenômeno da turbulência

2010-03-13T14:00:00.006-03:00

A palavra "Turbulência" sem a abordagem científica, remete a conceitos como:

avião sacudindo devido a força do vento (uma imagem derivada de filmes) e
uma pessoa que enfrente dificuldades pessoais/profissionais.

Por outro lado, o dicionário diz o seguinte:

turbulência
tur.bu.lên.cia
sf (lat turbulentia) 1. Qualidade de turbulento. 2. Ato turbulento. 3. Grande desordem; motim, perturbação da ordem pública, sublevação, tumulto.

onde a palavra "turbulento" é definida da seguinte forma:

turbulento
tur.bu.len.to
adj (lat turbulentu) 1. Em que há turbulência ou perturbação. 2. Propenso a causar desordem. 3. Agitado, tempestuoso. 4. Buliçoso, ruidoso. 5. Revoltoso, sedicioso. sm Indivíduo desordeiro ou bulhento.

Na mecânica dos fluidos, turbulência é um termo utilizado para caracterizar o estado de um certo escoamento, o escoamento turbulento. Esse estado é agitado, tempestuoso, desordenado e certamente é uma perturbação da ordem.

É um escoamento turbulento o escoamento que possui flutuações no campo de velocidade que são dependentes do tempo e da posição no espaço. [update]Acabo de perceber algo que não ficou claro nesse texto. O escoamento turbulento requer que todas as características citadas posteriormente sejam constatadas. Do contrário, não é escoamento turbulento.[/update]

Quanto mais intenso é a turbulência, maior é a flutuação da velocidade, no caso do escoamento da atmosfera, maiores são as chances dessas pertubações serem percebidas pelos aviões que estejam naquela região.

As principais características da turbulência são:

A turbulência é caótica ou, como é dito em alguns livros, irregular. O que significa que ela não é determinística, portanto, não pode ser modelada por abordagens puramente determinísticas.
A turbulência é altamente difusiva. O que significa que o fluido mistura-se mais rapidamente.
A turbulência ocorre em números de Reynolds elevados. De fato, a turbulência origina-se da desestabilização do escoamento laminar (que possui número Reynolds pequeno).
A turbulência é um fenômeno contínuo. Governado pelas equações da mecânica do fluidos.
A turbulência é rotacional e tridimensional. Minha característica predileta ! Em primeiro lugar não há turbulência bidimensional. As estruturas da turbulência são tridimensionais e possuem características rotacionais. Isso não significa que o escoamento médio tenha que ser tridimensional, nem mesmo que não exista justificativa razoável para modelar o escoamento bidimensional no lugar do tridimensional. Não confundir fenômeno com modelagem.
A turbulência é altamente dissipativa. Isso significa que o escoamento turbulento está sempre dissipando energia cinética. Para o escoamento turbulento ser mantido, é necessário que exista uma fonte contínua de energia sendo fornecida ao escoamento. Do contrário, o escoamento volta a ser laminar.

Na internet temos o material do Prof. Rosa da disciplina de "Modelagem de Escoamentos Turbulentos". Para aqueles que ainda não foram iniciados formalmente na problema, eu sugiro a leitura do item 1 (Fundamentos da turbulência nos fluidos, Aristeu da Silveira Neto, UFU) e 2 (Turbulência e seu desenvolvimento histórico, Átilia Silva Freire, COPPE) do material disponível em Apostilas e Mini Cursos. O primeiro item é uma introdução formal, muito mais e melhor detalhada que esse texto. O segundo item é uma introdução histórica. É o tipo de texto que devia ser um tópico do blog, mas dada a existência desse material eu prefiro sugeri-lo a escrever algo de qualidade inferior.

Para a descrição adequada do fenômeno é fundamental o uso da estatística. O Prof. Luca Moriconi (IF/UFRJ) leciona um excelente curso sobre "Teoria Estatística da Turbulência" cujo o material pode ser baixado livremente pela internet através de sua página pessoal. No momento que escrevo esse texto, o material pode ser obtido na página "Teaching" ou "Turbulence Course >> Programa". Também sugiro coletar o material que está em "Turbulence Course >> Arquivos". Atenção: Esse material não é para quem acabou de ouvir falar em turbulência !!! Para quem for arriscar, se achar que o material está escrito em Aramaico ou Russo, uma dica Butkov (Ah ! E o material está em português, eu juro !!!).

Por fim, dos livros que você pode pensar em adquirir eu sugiro o Turbulence in Fluids, M. Lesieur, 2008. E olha que bacana ... esse livro pode ser baixado gratuitamente através de convênio existente entre a UFRJ e a Springer (Editora do livro) (como esse convênio usa a CAPES, eu não sei se é estendido por poda rede universitária). Não sei se esse convênio é perpétuo ou se tem prazo para acabar, no momento, está funcionando. Caso não seja acessível da sua universidade, pode visitar uma biblioteca da UFRJ (a do centro de tecnologia tem ampla sala de computadores). Esse não é o único livro disponível nesses termos (embora também não sejam todos os livros do site, parece que no momento temos 2005-2008 ) ... da nossa área, para começar, eu sugiro olhar todos da série "Fluid Mechanics and Its Applications".

Na versão em inglês da wikipédia é possível ver algumas das figuras que ilustram o fenômeno da turbulência. Pretendo escrever um outro tópico com o título similar a "Introdução ao fenômeno da turbulência através de imagens" (está grande, não ? Mas essa é a idéia), mas ele somente deve ficar pronto em junho - é mais difícil do que parece achar imagens realmente didáticas sobre o assunto - até lá, existe uma grande quantidade de filmes no Youtube que pode saciar a curiosidade visual sobre o fenômeno. Particularmente, eu não gosto muito de ver vídeos, mas tenho que admitir que são bem ilustrativos. Se eu conseguir colocar a câmera de vídeo para funcionar (!) eu tenho uma idéia legal para filmar e mostrar aqui. Até que tudo isso esteja pronto, se te interessar, vejas os vídeos listados (a maioria tem uns 10 segundos de duração).

Escoamento turbulento em torno de um cilindro.
Outro escoamento turbulento em torno de um cilindro.
Agora em torno de dois cilindros. Sério, essa é interessante porque mostra como as estrutura formadas pelas turbulência parecem simétricas.
Escoamento turbulento em um tubo.
Escoamento em torno de um carro conversível.
Mais escoamento em torno de carros. Esse vídeo é mais longo, tem quase 5 minutos de duração.