Uso de modelagem numérica como ferramenta exploratória de conceitos da mecânica dos fluidos : simulação de escoamento livre em canal retangular com OpenFOAM

Abstract

Resumo: A prática de ensaios experimentais no currículo do ensino em engenharia visa dinamizar o processo de ensino e aprendizagem. No entanto, o investimento e manutenção da infraestrutura costumam ser relegados à segundo plano e os novos currículos simplificados tendem a escolher práticas paliativas como substitutos. De maneira a enfrentar essas restrições, a modelagem numérica encontra-se acessível e tem potencial para simular as práticas laboratoriais através de modelos desenvolvidos em OpenFOAM, uma ferramenta livre e com uma comunidade de desenvolvedores sólida e ampla. Esse conjunto de bibliotecas é utilizado em muitas indústrias, e já ganhou notoriedade e credibilidade no meio acadêmico. Com os modelos definidos, as investigações pelos alunos podem ser executadas com computadores pessoais, em sala ou extra sala, possibilitando ampliar análise e exploração de dados em conjunto com os ensaios. Neste sentido, parte-se da hipótese de que é possível representar numericamente em OpenFOAM a hidrodinâmica do canal físico presente em laboratório, segundo a determinação do conjunto de estratégias numéricas referentes aos modelos que resultam simular o escoamento do canal. Como objetivo geral, pretende-se criar um modelo numérico hidrodinâmico representativo do canal físico com ferramentas de código aberto e passível de ser utilizado enquanto recurso didático na aprendizagem da mecânica dos fluidos no contexto do ensino superior. Após a criação do modelo, pode-se comparar os resultados numéricos com valores medidos em ensaio no canal, e com isso acessar a capacidade isso, obter valores bem próximos dado o potencial do OpenFOAM. O modelo superou em representar os fenômenos hidráulicos de ressalto hidráulico e vertimento

Abstract: The use of experimental procedures in engineering education aims to enhance the teaching and learning process. However, the high cost of investment and maintenance of laboratory infrastructure is often overlooked, leading to the adoption of palliative alternatives in modern curricula. In this context, numerical modeling emerges as a viable, accessible, and effective approach to simulate laboratory practices, particularly through the use of OpenFOAM, an open-source tool widely recognized in both industry and academia. This dissertation is based on the hypothesis that it is possible to numerically represent, with fidelity, the hydrodynamics of a physical laboratory channel using OpenFOAM. The main objective is to develop a representative numerical model of the channel that can serve as an educational resource for teaching fluid mechanics in higher education. Two experimental tests were conducted in the laboratory to obtain validation data. The numerical model was then developed and simulated based on the experimental conditions. The numerical results showed good agreement with the measured data, especially in representing the hydraulic phenomena of hydraulic jump and overflow. The discrepancy between the simulated and observed profiles was minimal, demonstrating the potential of OpenFOAM as a teaching and numerical validation tool. It is concluded that the developed model is suitable for educational purposes and can expand students’ access to hydrodynamic analysis beyond the physical laboratory