Avaliação da Acurácia Numérica em Simulações CFD de Convecção Natural via Grid Convergence Index usando OpenFOAM

Resumo

A transferência de calor por convecção natural é um fenômeno de grande relevância, sendo frequentemente analisada por meio de simulações em Fluidodinâmica Computacional (CFD). Contudo, a precisão dessas simulações depende diretamente da qualidade da malha numérica. Nesse contexto, revela-se a importância dos estudos de convergência de malha como etapa essencial para assegurar confiabilidade e reduzir as incertezas associadas à discretização espacial. Este artigo tem como objetivo realizar uma análise de convergência de malha para uma simulação numérica tridimensional de convecção natural em uma placa plana, utilizando a CFD por meio do software livre OpenFOAM. A metodologia consistiu na aplicação do Grid Convergence Index (GCI), preconizado pela ASME, empregando três malhas com diferentes níveis de refinamento e uma camada de inflação para resolver a camada limite térmica. O fluxo de calor na superfície da placa foi adotado como variável de interesse. Os resultados numéricos obtidos foram confrontados com valores consolidados de correlações empíricas para o número de Nusselt. Os resultados evidenciaram que o refinamento da malha impacta significativamente os valores do fluxo de calor, com a malha mais refinada apresentando um erro de apenas 2,21% em comparação à correlação empírica. A análise quantitativa via GCI indicou valores consistentes acima de 5% para a maioria dos pares de malhas, confirmando a sensibilidade da solução à discretização. Contudo, a malha intermediária, com sete camadas de prisma, foi a que apresentou o melhor equilíbrio entre acurácia e custo computacional, sendo a mais recomendável para aplicações práticas. Conclui-se que o estudo de convergência de malha é etapa crucial para garantir a confiabilidade de simulações em CFD.