PIPE-FAPESP: iceAccretionFoam, do beta 2D ao MVP 3D

Imagem de capa: formas de gelo rime simuladas pelo iceAccretionFoam no NACA 0012, comparadas com medições da NASA.

A ATS4i teve o projeto iceAccretionFoam aprovado pela FAPESP no PIPE, Programa Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (processo 2025/19697-9). O iceAccretionFoam é um software de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para simular a formação de gelo e a proteção térmica contra gelo em superfícies tridimensionais de aeronaves. A Fase 1 começou em maio de 2026 e vai até dezembro. Este post mostra o plano das duas fases, as tecnologias do código e como ele vai chegar ao mercado.

Resumo

• Fase 1 (8 meses, maio a dezembro de 2026): versão beta com formação de gelo 2D dos tipos rime e glaze, validada contra dados da literatura. A maturidade sobe de TRL 3 para TRL 6.
• Fase 2 (2 anos): versão MVP com formação de gelo 3D e proteção térmica contra gelo (anti-ice e de-ice). A meta é TRL 8.
• Três tecnologias de ponta: immersed boundary, finite area e a função de parede rugosa de Silva et al., que usa a correlação de Stefanini.
• Como chega ao mercado: primeiro na consultoria de engenharia da ATS4i, como diferencial técnico; depois por SaaS, com acesso pelo navegador para empresas grandes e pequenas.
• Equipe: Guilherme A. Lima da Silva como pesquisador responsável, dois bolsistas FAPESP (TT-5, nível doutorado, e TT-4A, nível mestrado) e treinamento com o Prof. Hrvoje Jasak (Wikki).

Um retorno à FAPESP

O projeto tem um significado especial para quem o coordena. Guilherme Araujo Lima da Silva, fundador da ATS4i e pesquisador responsável pelo PIPE, fez o doutorado na USP sobre a simulação numérica de sistemas antigelo térmicos, concluído em 2008. Nos primeiros 28 meses, o doutorado teve o apoio da Embraer, onde ele trabalhava na equipe de proteção contra gelo: trabalho e estudo corriam em paralelo, de forma híbrida.

Nos 20 meses finais, veio a bolsa da FAPESP. Ela incluiu um período como pesquisador visitante na California State University, Long Beach (CSULB). Lá, Guilherme integrou ao seu código de antigelo térmico o método diferencial de camada-limite compressível dos livros do Prof. Tuncer Cebeci (1934–2021), coautor do modelo de turbulência Cebeci-Smith, que chefiou o departamento de pesquisa em aerodinâmica da Douglas Aircraft e foi o primeiro professor distinguido de engenharia mecânica da CSULB, onde fundou o departamento de engenharia aeroespacial. Na CSULB, o trabalho teve a colaboração do Prof. Hamid Hefazi, então chefe do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial, da Profa. Hsun-Hu Chen, especialista em CFD, gelo em aeronaves e transição da camada-limite, e do Prof. emérito Kalle Kaups, que antes desenvolveu com Cebeci, na McDonnell Douglas, métodos de cálculo de camada-limite 3D em asas. Desse trabalho saiu o artigo Differential Boundary-Layer Analysis and Runback Water Flow Model Applied to Flow Around Airfoils with Thermal Anti-ice, com Silvares, Zerbini, Hefazi, Chen e Kaups, apresentado no AIAA Aerospace Sciences Meeting de 2009. A mesma linha de pesquisa já tinha rendido os dois artigos no Journal of Aircraft (AIAA, 2007) sobre a simulação de antigelo em aerofólios, até hoje os mais citados da sua produção.

Na Escola Politécnica da USP, o trabalho foi feito com os professores Otávio de Mattos Silvares e Euryale Zerbini, e com o Prof. Marcos de Mattos Pimenta, cujo trabalho sobre transferência de calor em superfícies rugosas, feito em Stanford, é citado no livro de Kays e Crawford (Convective Heat and Mass Transfer) e em relatórios do LEWICE. Pimenta também é coautor das funções de parede de 2011 usadas hoje no iceAccretionFoam.

Quase duas décadas depois, a FAPESP volta a apoiar essa linha de pesquisa, agora dentro de uma empresa e com um produto como objetivo.

Por que simular o gelo em 3D

O gelo acumulado reduz a sustentação, aumenta o arrasto e o peso e pode atingir motores, hélices, sondas e para-brisas. No voo AF447, em 2009, a obstrução das sondas pitot por cristais de gelo foi o evento que iniciou a sequência do acidente, segundo o relatório final do BEA francês. O gelo rime se forma bem abaixo de 0 °C: as gotículas congelam quase por inteiro no impacto e a forma muda pouco. O gelo glaze se forma pouco abaixo de 0 °C: parte da água escorre, congela mais atrás e forma “chifres” que sempre prejudicam a aerodinâmica. O glaze é bem mais difícil de modelar.

Em asas enflechadas, sondas, antenas, radomes e entradas de ar, a água escorre ao longo das linhas de cisalhamento, que não seguem cortes 2D. Por isso o iceAccretionFoam resolve o problema em 3D completo, com quatro vantagens: segue a água pelas linhas de cisalhamento reais da superfície; modela a hidrodinâmica da água, em filme, filetes e gotas; faz o gelo crescer sem refazer nem deformar a malha; e usa uma transferência de calor em superfície rugosa validada com dados experimentais.

Três tecnologias de ponta

O iceAccretionFoam é um solver único, construído sobre o foam-extend 5.0. Ele resolve juntos o escoamento compressível (rhoPimpleFoam), a trajetória das gotículas em formulação euleriana (driftEulerFoam), o filme de água e o crescimento do gelo. Três tecnologias fazem a diferença:

• Immersed boundary. O gelo cresce numa superfície imersa na malha de fundo, pelo método Immersed Boundary Surface do Prof. Jasak (2018). Não é preciso refazer nem deformar a malha a cada passo, o que torna viáveis formas complexas como os chifres do glaze.
• Finite area. O método de áreas finitas (Tuković e Jasak, 2008) resolve o filme de água sobre a superfície curva em 3D, com massa, quantidade de movimento e energia, movido pelo cisalhamento, pelo gradiente de pressão e pelo impacto das gotículas. Na Fase 2, o mesmo método resolve a condução de calor 2D numa casca fina, a forma dos aquecedores eletrotérmicos.
• Função de parede de Silva et al. com a correlação de Stefanini. A transferência de calor sobre o gelo rugoso usa as funções de parede térmica e de quantidade de movimento propostas por Lima da Silva et al. (SAE 2011-38-0023). Elas consideram a resistência térmica da subcamada viscosa e usam a correlação de Stefanini et al. (AIAA, 2010) para o número de Stanton de rugosidade, uma correção da correlação de Owen e Thomson. Em 2011, as funções foram implementadas no OpenFOAM-1.6-ext, antecessor do foam-extend, e no CFD++, e validadas contra os dados experimentais de Achenbach para um cilindro rugoso aquecido, caso com rugosidade e escoamento parecidos com os de um bordo de ataque com gelo. Os códigos clássicos de gelo usam a análise integral da camada-limite, com rugosidade de grão de areia tirada de dutos e transição laminar-turbulenta abrupta. A correlação de Stefanini está disponível como opção no CFD++ da Metacomp.

Parceria com o Prof. Hrvoje Jasak, da Universidade de Cambridge

O Prof. Hrvoje Jasak é professor de Física do Contínuo na Universidade de Cambridge, onde lidera o grupo de Mecânica do Contínuo Computacional no Cavendish Laboratory, e é diretor da Wikki. Foi o desenvolvedor original do FOAM (Field Operation and Manipulation) no Imperial College, em Londres, durante o doutorado com o Prof. David Gosman. O OpenFOAM e o foam-extend são forks do FOAM, e o foam-extend é mantido por ele. As bibliotecas de immersed boundary e de finite area que o iceAccretionFoam estende são trabalho dele.

Foi essa parceria que tornou possível usar o foam-extend como base do iceAccretionFoam. Em vez de escrever um código do zero, a ATS4i partiu de um CFD reconhecido que já tinha as duas ferramentas de que o problema do gelo precisa. O Prof. Jasak é coautor dos artigos do iceAccretionFoam no Phil. Trans. R. Soc. A e, no PIPE, dá pela Wikki o treinamento avançado da equipe.

Em setembro de 2023, o engenheiro Jayme Rodrigues Teixeira da Silva, então na ATS4i, participou da NUMAP-FOAM Summer School no Cavendish Laboratory, em Cambridge: duas semanas de aulas em nível avançado e orientação individual de projeto, para um grupo pequeno e selecionado. Lá ele apresentou o projeto e aprendeu a fundo a estrutura do foam-extend e os métodos de immersed boundary e finite area. Depois da escola, trabalhou diretamente com o Prof. Jasak e com Guilherme no desenvolvimento do código.

Fase 1: beta 2D em 8 meses

A Fase 1 tem sete entregas em quatro frentes:

• Física: mapeamento entre immersed boundary e finite area, transferência de calor e massa em superfície rugosa e transição laminar-turbulenta disparada pela rugosidade.
• Validação: gelo rime e glaze 2D contra dados experimentais da literatura, em vários aerofólios além do NACA 0012.
• Produto: estudos de viabilidade do SaaS, da interface gráfica e da configuração de casos assistida por IA (LLM).
• Qualificação: requisitos de acreditação, matriz de rastreabilidade das normas e o dossiê de viabilidade técnica para a Fase 2.

A base do código já está verificada: a aerodinâmica e o impacto das gotículas batem com os dados de referência.

O código parte do TRL 3. No rime 2D, as formas de gelo simuladas já concordam com as medições da NASA no NACA 0012. No glaze, o código reproduz o comportamento, mas o chifre superior ainda fica menor que o medido: faltam a fração de congelamento térmica e a transferência de calor por convecção com transição, que são justamente o trabalho da Fase 1.

A equipe tem Guilherme como pesquisador responsável e dois bolsistas FAPESP: um TT-5, de nível doutorado, e um TT-4A, de nível mestrado. O Prof. Jasak, pela Wikki, dá o treinamento avançado em foam-extend. Computadores e infraestrutura são da ATS4i.

Fase 2: MVP 3D com proteção térmica

Em dois anos, a Fase 2 leva o código do beta 2D a um MVP 3D pronto para uso em casos reais:

• Formas 3D: asas enflechadas, sondas pitot e smart probes, entradas de ar e de motores, radomes, antenas, hélices e rotores de eVTOL, que não têm uma seção 2D representativa.
• Gotículas grandes (SLD): quebra e respingo das gotas, exigidos nos cenários de certificação do Apêndice O.
• Proteção térmica: o filme de água passa a trocar calor com a parede, que na Fase 1 é adiabática. Assim o código simula sistemas anti-ice e de-ice, incluindo os eletrotérmicos.
• Um só caso: qualquer tipo de gelo, ou um sistema de proteção, sai do mesmo setup, sem comandos específicos do operador.

A validação segue uma escada: Cp e eficiência de coleta (β), rime 2D, glaze 2D, formas 3D e SLD e, por fim, proteção contra gelo. As duas últimas etapas são o que a Fase 2 existe para produzir. A meta é o TRL 8.

Com o MVP pronto, o projeto também se credencia a outros tipos de investimento, como a FINEP, empresas do setor e venture capital.

Mercado: consultoria com diferencial

O mercado principal não são os grandes fabricantes, que são poucos e têm engenharia própria. São as empresas que vendem equipamentos que precisam de evidência de desempenho em gelo, e os novos entrantes que não têm equipe de gelo:

• Fornecedores: fabricantes de sensores, sondas pitot e smart probes, antenas e entradas de ar. Só nos EUA são centenas.
• Modificações e STC: instalação de sondas, antenas, radomes ou novos propulsores em aeronaves já certificadas.
• Novos mercados: drones, UAVs, eVTOL e aeronaves elétricas.
• Mudanças de norma: como a evolução da TSO-C16 para o aquecimento de sondas pitot, hoje referenciada à SAE AS5562.

A ATS4i já presta consultoria de gelo em sondas, asas e eVTOL, com ferramentas comerciais e códigos próprios. O iceAccretionFoam acrescenta um diferencial: um código desenvolvido pela ATS4i, 3D completo, com hidrodinâmica do filme de água e transferência de calor rugosa validada, sem as restrições de uso de outros códigos, como a do LEWICE3D, que só pode ser usado por cidadãos dos EUA e dentro dos EUA. Para análises 2D, o LEWICE tem uma versão internacional, o LEWINT, vendida sob licença da NASA pela American Kestrel Company, de David Parkins. A aceitação passa pela validação com dados de túnel e de voo, apresentada às autoridades (FAA, EASA, ANAC), ao comitê SAE AC-9C, onde Guilherme atua como liaison, e ao AIAA Ice Prediction Workshop.

SaaS: simulação de gelo para empresas grandes e pequenas

O modelo SaaS vai permitir que empresas sem equipe de CFD usem a tecnologia pelo navegador. O cliente envia a geometria e a condição de gelo, um engenheiro da ATS4i revisa o caso, o iceAccretionFoam roda nos servidores da ATS4i e os resultados voltam pela web, com relatório. Não há instalação nem hardware do lado do cliente, e as atualizações são centralizadas. A assinatura do serviço é mais flexível que as licenças de software por máquina e por usuário do mercado.

O iceAccretionFoam é construído sobre o foam-extend e segue a GNU GPL v3. A licença permite rodar o código modificado sem distribuí-lo (seção 2): a ATS4i roda o iceAccretionFoam nos seus servidores, ou em nuvem contratada, e entrega aos clientes resultados e relatórios, que não ficam sujeitos à GPL. O uso pela rede, sem entrega de cópia, também não é distribuição (seção 0). A mesma seção 2 permite o trabalho sob contrato, com cláusulas que proíbem cópias fora da relação entre as partes; assim, customizações podem ser feitas sob acordo de confidencialidade (NDA), que também protege as geometrias, os dados e os resultados do cliente. Na Fase 1, o SaaS é um estudo de viabilidade, incluindo segurança da informação e privacidade dos dados; a implementação vem na Fase 2.

Leia mais

• iceAccretionFoam no SAE AC-9C, no CIRA (Capua, Itália): a apresentação do plano de desenvolvimento ao comitê.
• Apresentação ao SAE AC-9C (PDF): resultados de rime e glaze e roadmap.
• Teixeira da Silva et al. (2024). Initial development of a CFD icing tool. ICAS 2024, Florença, Itália. ICAS 2024-1112 (PDF)
• Teixeira da Silva et al. (2025). Introducing the iceAccretionFoam solver: impingement and rime ice. Phil. Trans. R. Soc. A. DOI 10.1098/rsta.2024.0362 · PDF
• Carvalho et al. (2025). Advancing the iceAccretionFoam solver: glaze ice accretion. Phil. Trans. R. Soc. A. DOI 10.1098/rsta.2024.0361 · PDF
• Lima da Silva et al. (2009). Differential Boundary-Layer Analysis and Runback Water Flow Model Applied to Flow Around Airfoils with Thermal Anti-ice. AIAA Aerospace Sciences Meeting (trabalho da CSULB). PDF
• Lima da Silva et al. (2011). Proposed Wall Function Models for Heat Transfer around a Cylinder with Rough Surface in Cross Flow. SAE 2011-38-0023. DOI 10.4271/2011-38-0023 · PDF
• ATS na NUMAP-FOAM Summer School 2023, em Cambridge
• Publicações da ATS4i
• Serviço: análise de formação de gelo e simulação de sistemas de proteção contra gelo
• Read in English
• Numerical Simulation of Convective Heat Transfer for In-Flight Icing (2023)
• “The Icing Engineering Process”: seminário na SUNY Korea (2022)

Perguntas frequentes

O que é o PIPE-FAPESP?

É o programa da FAPESP que apoia a pesquisa para inovação em pequenas empresas do estado de São Paulo, em fases: a Fase 1 demonstra a viabilidade técnica e a Fase 2 desenvolve o produto.

Quando o iceAccretionFoam estará disponível?

A versão beta 2D fica pronta ao fim da Fase 1, em dezembro de 2026, para uso interno. O MVP 3D é a entrega da Fase 2. A consultoria de gelo da ATS4i já está disponível hoje.

O código será vendido como licença de software?

Não como licença proprietária. O iceAccretionFoam deriva do foam-extend (GNU GPL v3) e será usado na consultoria da ATS4i e oferecido como serviço (SaaS), rodando nos servidores da ATS4i, o que a GPL v3 permite. Customizações podem ser desenvolvidas sob contrato e NDA, e a GPL permite cobrar pela customização e pelo suporte.

Quem pode se beneficiar?

Fabricantes de aeronaves e de sensores, sondas e antenas, empresas de STC e os programas de drones e eVTOL que precisam demonstrar segurança em condições de gelo.

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Projeto apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), processo 2025/19697-9. As opiniões, hipóteses e conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade dos autores e não necessariamente refletem a visão da FAPESP.