Evolução do CFD

Aerodinâmica

4. Descreva a evolução deste software, na indústria aeronáutica, desde o seu início até ao atual estado de arte.

Desde os primórdios da civilização humana que o Homem tem curiosidade e fascínio pelo conhecimento dos fluídos, assim como dos seus comportamentos na natureza. Na antiguidade, grandes pensadores Gregos como é o caso de Heraclitus afirmavam que “tudo flui”. Apesar desta abordagem se enquadrar num ponto de vista filosófico, é considerado um ponto de partida para a abordagem científica dos fluídos. Do ponto de vista científico, foi Arquimedes quem iniciou os estudos nos campos da mecânica estática e hidrostática, tornando possível a medição de densidade e volume de objetos, tendo por base os fluídos. Esta contribuição permitiu a projeção e concepção de estruturas, tais como: aquedutos, canais, ou portos.

Um dos maiores contributos nesta área, assim como na engenharia em geral, foi dado na Época Renascentista por Leonardo Da Vinci começando com o estudo e análise do mundo natural dos fluídos e dos seus comportamentos em detalhe. Observou fenómenos naturais no mundo visível, reconhecendo a sua forma e estrutura, descrevendo-os exatamente como eles eram. O seu contributos para a mecânica dos fluídos passou, sobretudo, por: movimento da água, ondas marítimas, eddies, cascatas, free jets, interferência das ondas, entre outros.

Da Vinci foi seguido posteriormente (finais do Séc. XVII) por Sir Isaac Newton no Reino Unido. Newton tentou quantificar e prever os fenómenos relacionados com os fluídos através das suas equações elementares físicas. As suas contribuições nos campos da mecânica dos fluídos incluem: a Segunda Lei de Newton, o conceito da Viscosidade Newtoniana, o Princípio da Reciprocidade e a relação entre a velocidade das ondas na superfície de um líquido e o seu comprimento de onda.

Nos Séculos XVIII e XIX, foram desenvolvidos trabalhos significativos no sentido de descrever o movimento e comportamento dos fluídos de forma matemática. Daniel Bernoulli foi responsável pelo desenvolvimento da famosa Equação de Bernoulli, assim como Leonhard Euler propôs as Equações de Euler que descrevem a conservação do momentum para um fluído invíscido e da conservação da massa. Foi também responsável pela Teoria do Potencial de Velocidades. Não menos importante, no campo da mecânica dos fluídos, foram: Claude Louis Marie Henry Navier e George Gabriel Stokes que introduziram a viscosidade nas Equações de Euler, dando origem às Equações de Navier-Stokes. Estas formas de representação através de equações diferencias são consideradas o princípio mais importantes por detrás da indústria de Computacional Fluid Dynamics (CFD) e incluem expressões para a conservação da massa, momentum, pressão e turbulência. Ainda assim, estas equações são tão semelhantes e complexas de resolver que só passaram a ser utilizada de forma prática na era dos computadores digitais (1960/70), onde passou a ser possível a sua aplicação em problemas de escoamentos reais, com uma duração de resolução razoável. Outros grandes nomes que contribuíram para o desenvolvimento de teorias neste campo foram: Siméon-Denis Poisson, Joseph Lagrange, John William Rayleigh, Osborne Reynolds e Pierre Simon de Laplace. No início do século XX, foram formuladas novas teorias no campo dos escoamentos laminares e turbulentos de um fluido: Boundary Layer Theory e Prandtl Number por Ludwig Prandtl; von Karman Vortex Street, por Theodore von Karman; Statistical Theory of Turbulence, por Geoffrey Taylor; The Universal Energy Spectrum for Turbulence, por Andrey Nikolaevich Kolmogorov; The Theory of Homogeneous Turbulence, por George Batchelor.

É questionável a quem atribuir o primeiro passo no campo do cálculo tendo por base CFD. Ainda assim Lewis Fry Richardson desenvolveu o primeiro sistema de predição numérica meteorológica, ao dividir o espaço físico em quadrículas e usando as aproximações das diferenças finitas das equações primitivo-diferenciais de Bjerknes. A tentativa de prever as condições meteorológicas por um período de oito horas levou seis semanas de concepção e acabou por não dar resultados. A complexidade deste modelo levou-o a propor uma solução denominada por forecast-factory. Esta factory envolveria encher um estádio com sessenta e quatro mil pessoas. Cada uma, na posse de uma calculadora mecânica, iria realizar parte do calculo do escoamento. Um líder, no centro, usaria luzes de sinalização coloridas e comunicação telegráfica para coordenar a previsão. Esta proposta apareceu como uma forma muito rudimentar de cálculo com base em CFD. A  primeira solução numérica para um escoamento a passar num cilindro foi apresentada por A. Thom em 1933. Em 1953, M. Kawaguti obteve uma solução semelhante para o mesmo tipo de escoamento, utilizando uma calculadora mecânica. Este último, demorou cerca de vinte horas por semana, durante 18 meses para alcançar esta solução.

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