Solução numérica da equação de difusão de calor em geometrias tridimensionais

Abstract

Este trabalho apresenta uma formulação numérica para a solução da equação de condução de calor através do método dos volumes finitos (MVF) usando uma integração explicita no tempo, do tipo Euler em avanço (do inglês forward) em geometrias tridimensionais. Como motivação para o uso deste, temos o fato do MVF satisfazer o princípio de conservação, tanto local como globalmente, uma vez que é derivado diretamente das leis de conservação na forma integral, além do que, o MVF é flexível para lidar com modelos geométricos regulares ou irregulares (complexos ou não). O volume de controle empregado é do tipo centrado no vertíce (do inglês Vertex-Center), sendo formado pelo encontro das medianas com o baricentro dos elementos finitos. Devido a melhor representação do contorno para a maioria dos solídos reais, utilizamos malhas não-estruturadas (baseada em elementos tetraédricos), estas também apresentam algumas desvantagens como: alocação da informação de forma indireta, grande quantidade de memória requerida, etc. Visando minimizar os aspectos mencionados, adotamos uma estrutra de dados alternativa, armazenando agora as informações da malha sobre as arestas de cada elemento tetraédrico. Esta escolha permite não somente a capacidade de lidar-se com malhas quaisquer (nãoestruturadas ou estruturadas), como também, uma implementação computacional mais simples e eficiente na etapa de processamento da solução do problema. Foi implementado um programa em Fortran90 que esta divido em três módulos: o primeiro módulo importa a geometria, a malha e condições de contorno geradas pelo programa comercial MSC.Patran (versão 2001 r2a), o segundo modulo é o responsável pela conversão da estrutura de elementos, para a estrutura de dados por aresta (do inglês Edge-based). Por último, o terceiro módulo, resolve problemas de condução de calor nos regimes estacionário e transiente empregando a estrutura de dados baseada em aresta. Os resultados obtidos são comparados com o solver comercial MSC.Nastran (versão 2001) e visualizados na ferramenta livre disponibilizada pela IBM, o OpenDX