Relatorio ANSYS

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Universidade do Extremo Sul Catarinense 
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologias 
Curso de Engenharia Mecânica 
 
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL UTILIZANDO SOFTWARE SOLIDWORKS 
 
Samuel Macarini Schimitis (1), Anderson José Antonietti (2) 
 
UNESC – Universidade do Extremo Sul Catarinense 
(1)samuelschimitis@gmail.com, (2)anderson.jose@unesc.net 
 
RESUMO 
Tendo como objetivo a aplicação pratica dos conteúdos apresentados em sala 
de aula, realizou-se simulações computacionais com analises distintas em 
diversas geometrias. Das analises executadas foram utilizados nas simulações 
de análise estática 3D, analise estática 2D e simetria, simulação de vigas, 
estudos térmicos e otimização do componente, simulações de escoamento 
interno e externo. 
 
Palavras-chave: Simulação computacional; Análise 3D e 2D; Escoamento 
interno e externo. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Com a constante evolução tecnológica, e a dificuldade de criação de 
equipamentos mais sofisticados, estão surgindo cada vez mais softwares de 
apoio à engenharia para facilitar e melhorar o processo de desenvolvimento de 
soluções mais eficientes e confiáveis. 
Esses softwares auxiliam o engenheiro a simular o comportamento dos produtos 
diante de diversas condições e avaliar a influência de uma variável sobre o item. 
Um dos softwares mais utilizado na indústria para realizar simulações é o ANSYS 
onde ele usa o método de elementos finitos para resolver diversos problemas de 
engenharia. Com esse princípio o programa engloba uma série de sistemas, 
cálculos e métodos para soluções de problemas, diante dos fatos foi escolhida a 
versão 16.2 do programa para a análise proposta. 
 
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Para obter uma análise ter sucesso, é necessário que a geometria principal seja 
o mais próximo possível da realidade. 
A qualidade da malha é essencial para que uma peça seja representada 
adequadamente por um modelo matemático, quanto mais refinada essa malha, 
mais preciso será o resultado mas no entanto quanto mais refinada mais tempo 
pode levar para concluir a análise, isto dependendo da complexidade da 
geometria da peça. 
Com o objetivo de ampliar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, foram 
propostas simulações nos diversos segmentos para analise computacional, 
determinando os esforços, tensão e deformação que atuam sobre o corpo sólido 
devido a ação dos esforços atuantes, verificação de necessidade de coeficiente 
de segurança conforme a confiabilidade da geometria, aprimoramento da peça 
para redução de custos, e o estudo da fluidodinâmica computacional (CFD) 
analisando o escoamento interno e externo de um determinado equipamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. ANÁLISE 3D E SIMETRIA 
 
A peça a ser analisada será um suporte para sensor, que são muito utilizados 
em diversas áreas da indústria, na imagem 1 abaixo podemos ver o modelo 
computacional desse suporte. 
 
Figura 1: Suporte para sensor. 
Nesta analise se deseja obter as tensões, deformação, deslocamento e o fator 
de segurança para assim determinar se o suporte irá suportar a carga aplicada 
sobre ele. 
 
2.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado um sensor de 0,2 kg de massa fixado no furo de 
20 mm de diâmetro, o suporte foi fixado com dois furos de 5,5 mm de diâmetro 
em sua base e também fixado a superfície inferior considerando que a base do 
sensor seja fixa, essas informações podemos ver na imagem 2. 
 
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Figura 2: Suporte para sensor. 
 
2.2 METODO APLICADO 
 
O modelo computacional da peça foi realizado no solidworks, pois a modelagem 
computacional nele é mais eficiente de realizar, assim a modelagem é salva em 
um formato compatível com o ANSYS. 
Foi utilizada uma malha em curvatura que já teria sido pré configurada com um 
tamanho máximo de 2,0247e-5 m e tamanho mínimo de 2,0247e-3 m, esta malha 
podemos ver na figura 3. 
 
 
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Figura 3: Malha sensor. 
 
O material utilizado foi o aço estrutural, algumas de suas propriedades podemos 
ver na tabela 1. 
Tabela 1: Propriedades do aço estrutural. 
Módulo de 
elasticidade 
Resistencia a 
tração 
Coeficiente 
de Poisson 
Limite de 
escoamento 
200 GPa 250 MPa 0,3 460 MPa 
 
 
 
 
 
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2.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Os resultados obtidos de tensão, deslocamento, deformação e o fator de 
segurança estarão apresentados abaixo em suas respectivas imagens. 
 
 Figura 4: Tensões obtidas Figura 5: Deslocamento obtidos. 
 
 
 
 
 
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 Figura 6: Deformações obtidas. Figura 7: Coeficientes de segurança obtidos 
 
2.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
A tensão máxima obtida é muito pequena em comparação com a tensão limite 
de escoamento do material. 
O deslocamento da peça é tão pequeno que pode ser considerado insignificante. 
O coeficiente de segurança mínimo é muito alto já que a tensão máxima obtida 
é muito pequena 
Através da simulação pode se concluir que o suporte irá suportar tranquilamente 
os esforços que nele foram aplicados. 
. 
 
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3. ANÁLISE 2D E SIMETRIA 
 
A peça a ser analisada será um suporte ajustável para motor elétrico, que é muito 
utilizado na indústria, na imagem 8 abaixo podemos ver o modelo computacional 
desse suporte. 
 
Figura 8: Suporte para motor elétrico. 
 
Nesta analise se deseja obter as tensões, deformação, deslocamento e o fator 
de segurança para assim determinar se o suporte irá suportar a carga aplicada 
sobre ele. 
 
 
 
 
 
 
 
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3.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado uma força de 75 N aplicado em cada um dos 
rasgos de fixação do motor. O suporte foi fixado nos 4 furos de 15 mm de 
diâmetro, essas informações podemos ver na imagem 9. 
 
Figura 9: Condições de contorno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3.2 METODO APLICADO 
 
O modelo computacional da peça foi realizado no solidworks, pois a modelagem 
computacional nele é mais eficiente de realizar, assim a modelagem é salva em 
um formato compatível com o ANSYS. 
Foi utilizada uma malha em curvatura que já teria sido pré configurada com um 
tamanho máximo de 2e-3 m e tamanho mínimo de 1e-3 m. 
Para este caso como a chapa é de baixa espessura e para simplificar a 
simulação, será realizada a simulação da peça em 2D com a peça completa e 
também utilizando o método desimetria, como podemos ver na imagem 10 e 11. 
 
 
Figura 10: Suporte completo. 
 
 
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Figura 11: Suporte simétrico. 
 
A força como vimos anteriormente é de 75N em cada rasgo feito no suporte. O 
material utilizado foi o aço estrutural, algumas de suas propriedades podemos 
ver na tabela 2. 
 
Tabela 2: Propriedades do aço estrutural. 
Módulo de 
elasticidade 
Resistencia a 
tração 
Coeficiente 
de Poisson 
Limite de 
escoamento 
200 GPa 250 MPa 0,3 460 MPa 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Os resultados obtidos de tensão, deslocamento, deformação e o fator de 
segurança estarão apresentados abaixo em suas respectivas imagens. 
 
Figura 12: Tensão resultante na peça completa. 
 
Figura 13: Tensão resultante na peça simétrica. 
 
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Figura 14: Deslocamento resultante na peça completa 
 
 
Figura 15: Deslocamento resultante na peça simétrica. 
 
 
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Figura 16: Deformação resultante na peça completa. 
 
 
Figura 17: Deformação resultante na peça simétrica. 
 
 
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Figura 18: Fator de segurança resultante da peça completa. 
 
 
Figura 19: Coeficiente de segurança da peça simétrica. 
 
 
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3.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
A tensão máxima obtida é muito pequena em comparação com a tensão limite 
de escoamento do material. 
O deslocamento da peça é tão pequeno que pode ser considerado insignificante. 
O coeficiente de segurança mínimo é muito alto já que a tensão máxima obtida 
é muito pequena em comparação com a tensão limite de escoamento do 
material. 
Realizando uma comparação entre os dois métodos utilizados, pode se concluir 
que os resultados obtidos são muito próximos, ou seja qualquer um dos dois 
métodos utilizados chegara a um resultado preciso. 
Através da simulação pode se concluir que o suporte irá suportar tranquilamente 
os esforços que nele foram aplicados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. ANÁLISE DE VIGAS 
 
A peça a ser analisada será uma viga do tipo I, que é muito utilizado na 
construção civil, na imagem 20 abaixo podemos ver o modelo computacional 
dessa viga. 
 
Figura 20: Perfil viga I. 
 
Nesta analise se deseja obter as reações na viga e os gráficos de esforço de 
corte e momento fletor, após a aplicação das cargas para assim determinar se a 
viga irá suportar a carga aplicada sobre ele. 
 
 
 
 
 
 
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4.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado duas forças pontuais de 10kN aplicado em pontos 
pré-definidos na viga e também foi considerado uma carga distribuída ao longo 
da viga de 10kN/m. A viga foi fixada em pontos pré-definidos, essas informações 
podemos ver na imagem 21 as condições de contorno no modelo computacional, 
onde estão representadas no solidworks, pois é de melhor visualização onde 
estão aplicadas as cargas e na imagem 22 podemos ver o desenho usado como 
base. 
 
Figura 21: Forças aplicadas na viga. 
 
 
Figura 22: Desenho usado como base. 
 
 
 
 
 
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4.2 METODO APLICADO 
 
Foi utilizada uma malha adaptável, pré determinada pelo ansys para realizar 
esse tipo de análise, esta malha podemos ver na figura 23. 
 
 
Figura 23: Malha da viga. 
 
As forças como vimos anteriormente é de 10kN em cada ponto pré-determinado 
e uma força de carga aplicada na viga 10kN/m. O material utilizado é aço 
estrutural, algumas de suas propriedades podemos ver na tabela 3. 
 
Tabela 3: Propriedades do aço estrutural. 
Módulo de 
elasticidade 
Resistencia a 
tração 
Coeficiente 
de Poisson 
Limite de 
escoamento 
200 GPa 250 MPa 0,3 460 MPa 
 
 
 
 
 
 
 
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4.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Nesta analise se deseja obter as reações na viga e os gráficos de esforço de 
corte e momento fletor. 
Esses resultados podemos ver nas respectivas imagens abaixo. 
 
Figura 24: Força de cisalhamento. 
 
 
Figura 25: Deslocamento resultante na viga. 
 
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Figura 26: Cisalhamento resultante na viga. 
 
Figura 27: Momento resultante na viga. 
 
4.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
A tensão máxima resultante é superior a tensão limite de escoamento do 
material. 
A viga tem um deslocamento muito grande, onde o deslocamento máximo 10,46 
mm, este deslocamento na construção civil em uma estrutura pode condenar 
uma estrutura. 
 
 
 
 
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5. ANÁLISE TÉRMICA 
 
A peça a ser analisada será uma aleta de refrigeração, essa aleta a ser analisada 
é muito utilizada para facilitar a dissipação do calor de equipamentos eletrônicos, 
na imagem 28 abaixo podemos ver o modelo computacional dessa aleta de 
refrigeração. 
 
Figura 28: Aleta de refrigeração. 
Nesta analise se deseja obter a distribuição de temperaturas e do fluxo térmico 
no conjunto aletado. 
 
5.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado uma temperatura de 80°C na face inferior da peça 
e as demais faces do dissipador de calor estejam expostos a condição de 
convecção de 25W/m²K, essas informações podemos ver na imagem 29. 
 
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Figura 29: Condições de contorno aplicados. 
 
Onde a face é amarela são as faces onde foi aplicada a condição de convecção 
e onde a face é vermelha é onde está aplicada a temperatura de 80°C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5.2 METODO APLICADO 
 
Foi utilizada uma malha adaptável, pré determinada pelo ansys para realizar 
esse tipo de análise, podemos ver essa malha na imagem 30 logo abaixo. 
 
Figura 30: Malha gerada para análise. 
 
Após a criação da malha foi executada a simulação no dissipador de calor. 
O material utilizado foi uma liga de alumínio, algumas de suas propriedadespodemos ver na tabela 4. 
Tabela 4: propriedades liga de alumínio. 
Módulo de 
elasticidade 
Condutividade 
térmica 
Calor 
especifico 
71 GPa 200 W/(m*K) 900 J/(kg*K) 
 
 
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5.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Nesta analise se deseja obter a distribuição de temperaturas e do fluxo térmico 
no conjunto aletado. 
Esses resultados podemos ver nas respectivas imagens abaixo. 
 
 
Figura 31: Temperaturas resultantes. 
 
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Figura 32: Fluxo térmico resultante. 
 
5.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
Após a análise desse dissipador de calor pode se concluir que o material é um 
bom condutor de calor, levando em consideração que a diferença entre a 
temperatura da face inferior e da média da ponta da aleta temos 
aproximadamente uma diferença de temperatura de 0,834 °C. 
Por ter uma pequena diferença de temperatura essa aleta pode se dizer que ela 
tem uma boa eficiência, na condução do calor. 
 
 
 
 
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6. ANÁLISE DE PROJETO 
 
A peça a ser analisada será um suporte de prateleira, esse suporte é fixado na 
parede para ser colocado uma placa plana sobre ele e assim guardar objetos, 
na imagem 33 abaixo podemos ver o modelo computacional desse suporte. 
 
Figura 33: Modelo computacional do suporte. 
 
6.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado uma força de 196,2 N, aproximadamente 20 kg, 
aplicada na face superior do suporte. Foi considerado os furos fixos e também a 
face que fica em contato com a parede fixa, ou seja considerando que o suporte 
não sairá da parede. Essas informações podemos ver na imagem 34. 
 
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Figura 34: Condições de contorno aplicadas. 
 
Onde os pontos verdes são as faces onde foi aplicada a condição de fixação e 
onde estão as setas rosas é onde está aplicada a força de 196,2 N. 
 
6.2 METODO APLICADO 
 
Foi utilizada uma malha do proximidade e curvatura, o gerador de malhas 
utilizado gerou uma malha padrão que já avia sido pré-configurada com um 
tamanho máximo de 3,1003e-3 m e tamanho mínimo de 3,1003e-5 m, podemos 
ver essa malha na imagem 35 logo abaixo. 
 
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Figura 35: Malha gerada. 
 
Após a criação da malha foi executada a simulação no suporte. 
O material utilizado foi o aço estrutural, algumas de suas propriedades podemos 
ver na tabela 5. 
Tabela 5: Propriedades do aço estrutural. 
Módulo de 
elasticidade 
Resistencia a 
tração 
Coeficiente 
de Poisson 
Limite de 
escoamento 
200 GPa 250 MPa 0,3 460 MPa 
 
Nesta análise também será realizada a otimização do suporte para assim ele ter 
uma melhor eficiência sem precisar de tanto material para fabricar. 
 
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Para realizar a otimização foram determinados alguns parâmetros, o parâmetro 
das variáveis a que serão editadas para uma melhor otimização, esses 
parâmetros de variáveis estarão na tabela 6. 
Tabela 6: Parâmetros variáveis. 
 Método Mínimo Máximo 
DV1 Intervalo 10mm 20mm 
DV2 Intervalo 10mm 15mm 
DV3 Intervalo 90mm 110mm 
 
Os parâmetros DV1, DV2 e DV3 podemos ver suas respectivas posições na 
imagem abaixo. 
 
Figura 36: Posição dos DV's. 
 
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Outro parâmetro imposto para a otimização é uma restrição, onde a tensão 
resultante no suporte não pode ser superior a 200N/mm², considerando uma 
análise estática. 
A meta para essa otimização é a redução do volume do suporte, considerando 
que deve cumprir com os outros parâmetros. 
 
6.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Após ter realizado a otimização no suporte, podemos realizar a comparação do 
melhor candidato com o suporte original. 
Os valores dos DV’s do suporte otimizado em comparação com o suporte original 
estão na tabela 7. 
Tabela 7: Comparação dos resultados. 
 DV1 DV2 DV3 Volume 
Original 10 mm 15mm 100mm 61739mm³ 
Otimizada 9,04 mm 13,76 mm 95,77mm 65743mm³ 
 
6.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
Após a comparação do suporte otimizado com o original, podemos perceber um 
pequeno aumento no volume do suporte, porem as todas os outros parâmetros 
tiveram ótimos resultados. 
 
 
 
 
 
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7. ESCOAMENTO EXTERNO 
 
A peça a ser analisada será um aerofólio, esse aerofólio é fixado na parte traseira 
de alguns veículos com o objetivo de dar maior estabilidade para o veículo, 
normalmente é utilizado em veículos com alto desempenho, na imagem 37 
abaixo podemos ver o modelo computacional desse aerofólio. 
 
Figura 37: Modelo computacional do aerofólio. 
 
 
7.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado uma velocidade que incide no aerofólio de 50 
m/s, aproximadamente 180 km/h. O fluido utilizado nesta análise é o ar com a 
densidade igual a 1,23 kg/m³, a área de incidência considerada é igual a 0,2 m². 
Todas essas informações são pré-configuradas antes de realizar a simulação. 
 
 
 
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7.2 METODO APLICADO 
 
Foi utilizada a ferramenta de “fluid flow (CFX) ” do software para realizar a 
simulação. 
Para determinar o domínio de análise foi considerado que o escoamento do ar 
seria longo após a passagem pelo aerofólio, então o domínio foi ajustado a um 
tamanho que pudesse comportar boa parte dos resultados da simulação, o 
domínio podemos ver na imagem 38. 
 
Figura 38: Domínio da analise 
 
Foi utilizada uma malha de curvatura, o gerador de malhas utilizado gerou uma 
malha padrão que já avia sido pré-configurada com um tamanho máximo de 
7,894e-2 m e tamanho mínimo de 7,894e-4 m, podemos ver essa malha na 
imagem 39. 
 
 
 
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Figura 39: Malha gerada. 
 
Para esta análise foi criada uma equação para o cálculo do coeficiente de 
arrasto, então foi utilizada a equação abaixo para resolver este problema. 
Cd = 
Fd
0,5 ∗ ρ ∗ V2 ∗ A
 
Onde: 
Cd = Coeficiente de arrasto; 
Fd = Força de arrasto; 
ρ = Densidade do ar; 
V = Velocidade; 
A = Área transversal. 
 
 
 
 
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7.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Nesta simulação será analisada o comportamento do fluido quando ele interage 
com o aerofólio. 
Serão apresentados os campos de pressão, velocidades e linhas de corrente do 
escoamento no aerofólio, onde esses resultados podemos ver nas respectivas 
imagens abaixo. 
 
 
Figura40: Campo de pressão. 
 
 
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Figura 41: Pressão na asa. 
 
 
Figura 42: Pressão na asa. 
 
 
 
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Figura 43: Campo de velocidade. 
 
 
Figura 44: Linha de corrente. 
 
 
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Figura 45: Linhas de corrente. 
 
7.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
Após a análise da simulação podemos determinar que a uma grande região de 
turbulência de baixa pressão logo atrás do aerofólio, isso pode causar uma perda 
de eficiência do veículo, pois existe uma força contraria ao seu deslocamento. 
O coeficiente de arrasto obtido foi de 2,258. 
 
 
 
 
 
 
 
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8. ESCOAMENTO INTERNO 
 
A peça a ser analisada será um joelho para encanamento, esse joelho é muito 
utilizado para o transporte de fluidos de um determinado lugar para outro, na 
imagem 46 abaixo podemos ver o modelo computacional desse joelho. 
 
Figura 46: Modelo computacional do joelho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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8.1 CONDIÇÕES DE CONTORNO 
 
Para este caso foi considerado uma vazão mássica de 0,5 kg/s na entrada do 
joelho. O fluido utilizado nesta análise é a agua com a densidade igual a 998,9 
kg/m³. Todas essas informações são pré-configuradas antes de realizar a 
simulação. 
 
8.2 METODO APLICADO 
 
Foi utilizada a ferramenta de “fluid flow (CFX) ” do software para realizar a 
simulação. 
Para determinar o domínio de análise foi considerado somente a parte interna 
do joelho, assim só irá ter fluido na parte interna do joelho. 
Para esta análise foi criada uma equação para o cálculo do coeficiente de perda 
de carga singular, então foi utilizada a equação abaixo para resolver este 
problema. 
Ks = 
∆𝑝
0,5 ∗ ρ ∗ V2
 
Onde: 
Ks = Coeficiente de perda de carga singular; 
Δp = Variação da pressão; 
ρ = Densidade da agua; 
V = Velocidade; 
Foi utilizada uma malha de curvatura, o gerador de malhas utilizado gerou uma 
malha padrão que já avia sido pré-configurada com um tamanho máximo de 
9,2684e-6 m e tamanho mínimo de 9,2684e-4 m, podemos ver essa malha na 
imagem 47. 
 
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Figura 47: Malha utilizada. 
 
A pressão de entrada, pressão de saída e a velocidade são metas que são 
calculados pelo software. 
 
 
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8.3 RESULTADOS OBTIDOS 
 
Nesta simulação será analisada o comportamento do fluido dentro do joelho. 
Serão apresentados os campos de pressão, velocidades e linhas de corrente do 
escoamento no joelho, onde esses resultados podemos ver nas respectivas 
imagens abaixo. 
 
 
Figura 48: Campo de pressões. 
 
 
 
 
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Figura 49: Campo de velocidades. 
 
Figura 50: Linha de corrente. 
 
Universidade do Extremo Sul Catarinense 
Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologias 
Curso de Engenharia Mecânica 
 
8.4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 
 
Após a análise da simulação podemos determinar que existe uma região de 
baixa pressão, pois o fluido se concentra na região central do joelho onde o 
ângulo de curvatura dele é menor. 
O coeficiente de perda de carga singular resultante é igual a 0,5996. 
 
9. CONCLUSÃO 
 
Após realizar todas as análises das simulações, pode se determinar que as 
ferramentas de simulação e otimização são muito versáteis para qualquer tipo 
de analise a ser estudada. 
Este software se quando for realizar uma simulação e todas as condições de 
contorno e o método utilizado for confiável o resultado obtido será muito preciso.