Brian Spalding: Um pioneiro na Dinâmica dos Fluidos Computacional
Brian Spalding (9 de janeiro de 1923 – 27 de novembro de 2016) foi um renomado pioneiro na área de fluidodinâmica computacional (CFD) e simulação de engenharia. Suas contribuições inovadoras incluem o desenvolvimento do algoritmo SIMPLE, revolucionando a resolução de problemas de fluxo de fluidos. Como fundador da Concentration, Heat & Momentum Limited (CHAM), ele promoveu aplicações práticas de CFD e o amplamente utilizado software PHOENICS. As extensas publicações de Spalding, prêmios e participação ativa em conferências solidificaram seu legado.
O trabalho de Brian Spalding continua a moldar o campo de fluidodinâmica computacional (CFD), com seus métodos sendo amplamente utilizados. A notável carreira de Brian Spalding e sua dedicação em avançar a simulação de engenharia deixaram uma marca permanente, influenciando a resolução de desafios de fluxo de fluidos e transferência de calor até os dias de hoje.
Nos últimos anos, as contribuições de Brian Spalding para o campo de fluidodinâmica computacional (CFD) têm sido comemoradas de diversas maneiras, incluindo a publicação da newsletter “Brian Spalding at 100” pela newsletter PHOENICS. Esta edição especial da newsletter serve como uma homenagem à notável carreira de Spalding. Link para a newsletter completa: https://www.cham.co.uk/_docs/pdfs/newsletter/PHOENICS_News_Brian_at_100.pdf
A newsletter “Brian Spalding at 100” apresenta artigos e reflexões de renomados escritores e especialistas no campo de fluidodinâmica computacional (CFD). Alguns dos notáveis contribuidores são:
• Dr. Suhas Patankar: Um pioneiro na área da fluidodinâmica computacional (CFD) e do método de volumes finitos. Estimado colega de Spalding e co-desenvolvedor do algoritmo SIMPLE. Atualmente é Professor Emérito na Universidade de Minnesota.
• Dr. Brian Launder: Professor de Engenharia Mecânica na Universidade de Manchester, Reino Unido. Ele é conhecido por seu trabalho no campo de fluxos turbulentos em geral e modelagem de turbulência em particular. Em 1994, tornou-se membro da Royal Society.
• Dr. Wolfgang Rodi: Renomado especialista em fluidodinâmica computacional (CFD) e fluxos turbulentos. Com formação em engenharia aeronáutica, ele obteve seu Ph.D. no Imperial College London e ocupou cargos de pesquisa lá. A carreira do Prof. Rodi inclui projetos na Universidade de Karlsruhe e atuação como professor e chefe do departamento de Fluxos Turbulentos.
Além dos contribuidores mencionados anteriormente, a newsletter “Brian Spalding at 100” também apresenta um texto notável intitulado “A Contribution” por Guilherme A. Lima da Silva, CEO e Fundador da ATS Aerothermal Solutions, PhD pela Universidade de São Paulo e especialista em CFD; simulação de transferência de calor e massa; Engenharia de Sistemas Aeronáuticos: ECS, Proteção contra Gelo.
A Contribution: Guilherme A. Lima da Silva
Os primeiros trabalhos de D. B. Spalding foram cruciais para o desenvolvimento da minha tese de doutorado “Heat and Mass Transfer in Two-Phase Flow Around Airfoils Equipped with Aeronautical Anti-Icing Systems”. Embora não diretamente relacionado à combustão ou à dinâmica dos fluidos computacional, seu trabalho em transferência de calor e massa foi inestimável. Minha introdução ao PHOENICS e ao trabalho de D. B. Spalding veio do Prof. Clemente Greco na Universidade de São Paulo, no Brasil, onde discutimos a evaporação de gotículas e combustão. O Prof. Euryale Zerbini e Marcos Pimenta também me apresentaram aos trabalhos de Spalding em transferência de calor e massa.
Durante meu mestrado e doutorado, dependi muito do livro “Convective Heat Transfer” de Kays e Crawford, que também se baseia nas teorias de Spalding. O que me chamou a atenção foi a abordagem rigorosa e precisa de Spalding em relação à transferência de massa, especialmente a interação entre transferência de massa e de calor. Para sistemas antigelo, a evaporação desempenha um papel significativo na determinação da temperatura da superfície, com áreas secas experimentando convecção normal e áreas úmidas sujeitas a efeitos de resfriamento evaporativo. A influência da evaporação na espessura da camada limite térmica e no coeficiente de transferência de calor também é notável. O Prof. Zerbini destacou o cálculo incrível e engenhoso do efeito acoplado, que foi fundamental para a minha pesquisa.
O livro “Convective Mass Transfer: An Introduction” de Spalding, publicado em 1963, ainda é considerado a referência fundamental para compreender os fenômenos físicos subjacentes, com a abordagem de dupla camada sendo excepcionalmente bem explicada e implementada. Mesmo os códigos atuais de dinâmica dos fluidos computacional não são tão precisos quanto o trabalho de Spalding. O trabalho de Spalding & Smith de 1958, “Heat Transfer in a Laminar Boundary Layer with Constant Fluid Properties and Constant Wall Temperature”, continua sendo uma referência para calcular o coeficiente de transferência de calor sobre um perfil aerodinâmico com formação de gelo. Ele faz parte de diversos códigos clássicos de formação de gelo, incluindo o ONERA 2D, de D. Guffond, do ONERA, na França.
Durante minha pesquisa, confiei no código TEXTAN, que foi desenvolvido a partir do STAN5, um código que remonta ao primeiro código desenvolvido por Patankar e Spalding, o GEMNIX. Também utilizei o código BLP2C de Tuncer Cebeci, que, apesar de ser mais moderno e compressível, ainda emprega a implementação de diferenças finitas dos primeiros códigos de Spalding. O modelo de turbulência de comprimento de mistura usado também é semelhante ao que Spalding usou em seus modelos iniciais.
Apesar das referências não serem modernas ou diretamente relacionadas à dinâmica dos fluidos computacional, as obras clássicas de Spalding foram fundamentais para criar um modelo realista e preciso de transferência de calor e massa sobre um perfil aerodinâmico com sistemas antigeradores térmicos operando em condições de formação de gelo atmosférico. Também utilizei métodos de superposição, um tópico explorado por Spalding em seus primeiros trabalhos, quando a capacidade de computação não era tão robusta quanto é hoje. Ele considerou o efeito histórico da camada limite causado pelo gradiente de temperatura na direção do escoamento na superfície, conforme descrito em seu trabalho de 1958, “Heat Transfer from Surfaces of Non-Uniform Temperature”. A seguir estão as obras citadas nesta contribuição:
Smith AG, Spalding DB Heat Transfer in a Laminar Boundary Layer with Constant Fluid Properties &and Constant Wall Temperature. J Royal Aeronautical Society, Vol. 62, pp 60-64, 1958.
Spalding, DB Heat Transfer from Surfaces of Non-Uniform Temperature. J of Fluid Mechanics, No. 4, pp 22-32, 1958.
Spalding, DB Convective Mass Transfer: An Introduction. New York: McGraw-Hill, 1963.
The Ph.D. thesis can be accessed here: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-27032009- 082825/en.php;
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