Se você já se sentiu frustrado ao olhar para um pequeno cata-vento girando enquanto um computador conclui uma tarefa, tente esperar seis semanas.

Essa é a situação em que os engenheiros aeronáuticos costumam se encontrar ao projetar uma nova turbina. Com várias pás do ventilador girando milhares de vezes por minuto e fluxos de ar movendo-se mais rápido do que a velocidade do som, modelar com precisão a máquina complexa é um desafio assustador.

Praticamente todas as aeronaves comerciais usam motores de turbina e 90 por cento da eletricidade do mundo é produzida por turbinas. No início da década de 1990, os principais fabricantes de turbinas do mundo, A Força Aérea dos Estados Unidos e a NASA se reuniram com especialistas acadêmicos e uma empresa de software para formar o Consórcio GUIde para enfrentar os "grandes desafios" na aeromecânica de turbomáquinas. Agora em sua sexta iteração, o programa trabalha para reduzir o tempo de giro do cata-vento de semanas para dias ao mesmo tempo, aumentando a precisão da simulação.

"O Consórcio GUIde financia pesquisas pré-competitivas para atender às necessidades dos métodos de design de seus membros, "disse Robert Kielb, diretor do Consórcio GUIde e professor da prática de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke University, que tem servido como a instituição líder do programa desde 2008. "Nos últimos seis anos, focamos na resposta forçada de um compressor integrado, que determina como as ondas de pressão interativas forçam as pás do ventilador de um turbojato a vibrar. "

Essas vibrações são uma questão de segurança e de custo. Se as lâminas vibrarem muito, eles podem ser danificados com o tempo e requerem manutenção cara. Ou pior, eles podem quebrar e causar falha do motor.

Cada empresa de engenharia de turbojato tem seu próprio software interno para projetar novos motores, mas eles contam com pesquisas conduzidas pelo Consórcio GUIde para garantir que seu software seja preciso. Eles também compram pacotes e programas da ANSYS, a única empresa de software no Consórcio GUIde, que trabalha com pesquisadores do grupo para testar e melhorar seus produtos.

No ano passado, Pesquisadores da Duke liderados por Shreyas Hegde, um Ph.D. estudante no laboratório de Kielb, abordou várias questões-chave no software de modelagem produzido pela ANSYS.

"Os modelos da indústria normalmente fazem uma análise completa de 360 ​​graus para descobrir como cada fileira de pás do ventilador fará com que seus vizinhos vibrem, "disse Hegde." Estamos tentando ajudar a simplificar essas simulações sem perder a precisão dos resultados. "

Um turbojato consiste em fileiras de pás que alternam entre "estatores" estacionários e "rotores" rotativos. Mesmo que um grande motor tenha vários conjuntos de cada um, simulações usadas na fase de projeto normalmente modelam apenas um rotor imprensado entre dois estatores.

Em um estudo recente, Kielb, Hegde e seus colegas procuraram ver quais efeitos a adição de outro rotor a jusante tem na simulação. Eles descobriram que as ondas de pressão que percorrem o sistema geralmente refletem de volta a partir desse estágio e afetam a vibração das pás do ventilador encontradas anteriormente no motor.

"Essa não é a melhor notícia para as empresas que projetam turbojatos, porque quanto mais complicado o modelo se torna, mais longos e difíceis de interpretar os resultados, "disse Kielb." Mas se você não incluiu aquele rotor extra, você pode rejeitar um projeto, embora os efeitos das interações desse rotor reduzam a vibração forçada o suficiente para fazê-lo funcionar perfeitamente. Ou o oposto pode acontecer, onde adicionar o rotor à análise mostra que a amplitude da vibração será realmente maior. "

As simulações são mais fáceis de completar se cada um dos rotores e estatores tiver um número de pás do ventilador com um denominador comum. Por exemplo, se a simulação estator-rotor-estator padrão descrita acima contivesse as pás do ventilador numerando 44-33-44 - o denominador comum sendo 11 - poderia ser simplificado para apenas 4-3-4, mas ainda ser perfeitamente preciso.

Em modelos não uniformes, um desses números está ligeiramente errado. Neste exemplo, o número de pás do ventilador pode mudar para 44-33-48. Mesmo pequenas diferenças como essa têm sido um espinho no lado da indústria ao tentar simular o desempenho de um design.

Em outro ajuste recente do software, ANSYS tornou possível completar simulações encurtadas desses modelos não uniformes, e se virou para Duke para verificar seu trabalho.

"Nós montamos um modelo completo de 360 ​​graus que incluía todas as complexidades que você poderia imaginar, "disse Kielb." Isso produziu uma representação mais precisa das habilidades e limitações do novo software ANSYS. "

O grupo está descobrindo que, na maioria dos casos, o software ANSYS funciona bem, mas em alguns casos, não funciona muito bem, e as empresas precisam saber quais casos são quais.

E ANSYS também. Graças ao trabalho realizado na Duke, a empresa de software pode descobrir problemas com seus métodos e corrigi-los, o que ajuda toda a indústria de turbinas.

"O Consórcio GUIde já existe há quase duas décadas, e acabou sendo um acordo realmente mutuamente benéfico para todos os envolvidos, "disse Kielb." Vamos passar mais dois anos fazendo com que essas simulações de vibração forçada funcionem o melhor que pudermos, e então o consórcio seguirá para outros desafios. "