As turbinas a gás são indispensáveis na busca mundial pela descarbonização, ao mesmo tempo em que apoiam uma demanda crescente por eletricidade flexível e despachável.
A ameaça constante das mudanças climáticas e o dano ecológico e ambiental causado pelo homem é uma certeza. Isso ocorre em um momento em que uma combinação de fatores, como o boom dos data centers, a crescente adoção de veículos elétricos e a eletrificação do aquecimento de edifícios, impõe mais cargas intermitentes à rede elétrica do que nunca.
À primeira vista, essas duas afirmações estão em conflito direto. No entanto, a Siemens Energy, impulsionada pelas soluções Siemens Xcelerator e NVIDIA, está trabalhando para redefinir como as turbomáquinas são projetadas usando a velocidade da dinâmica dos fluidos computacionais (CFD) acelerada por GPU. A computação acelerada permite reduções de ordens de grandeza nos prazos de projeto, de semanas para dias e de dias para horas.
Ao modificar turbinas a gás tradicionais para queimar hidrogênio como combustível por meio de co-queima ou substituição completa do gás natural, como no caso da SGT-9000HL, as turbinas a gás podem oferecer uma solução confiável de geração de energia com baixo carbono ou sem carbono.
A necessidade dessas modificações é urgente, e a CFD acelerada por GPU, utilizando o Simcenter STAR-CCM+ alimentado pela computação acelerada e pelo software NVIDIA, desempenha um papel fundamental nesse escalonamento.
Por isso, a Siemens Energy investiu fortemente em engenharia digital para ajudar a resolver seus desafios mais difíceis de dinâmica dos fluidos. Em paralelo, está investindo em computação acelerada NVIDIA para impulsionar suas novas necessidades de engenharia digital. Engenheiros e lideranças da Siemens Energy esperam retornos múltiplos sobre o investimento em seus negócios com essa estratégia de digitalização “all in”.
Dan Mekker, consultor sênior da Siemens Energy, destaca a importância dos fluxos de trabalho com computação acelerada NVIDIA para a vantagem competitiva da empresa:
As GPUs permitem a Engenharia Baseada em Conhecimento, onde os engenheiros concluem atividades de engenharia mais rapidamente, aproveitam o know-how e as experiências de toda a empresa, e exploram soluções de produtos que não seriam viáveis com a engenharia clássica.
A física desafiadora das turbomáquinas
O Simcenter STAR-CCM+ é uma tecnologia habilitadora para os engenheiros da Siemens Energy em todos os estágios ao longo da turbina a gás.
Apesar de suas diferenças, o compressor, a câmara de combustão e a turbina têm em comum o fato de serem governados por escoamentos de fluidos tridimensionais, instacionários, compressíveis e turbulentos, e se beneficiam da simulação multifísica de CFD acelerada por GPU NVIDIA.
O compressor enfrenta camadas de cisalhamento turbulento, vórtices de vazamento na ponta das pás e interações entre ondas de choque e camada-limite, tudo enquanto a interação entre múltiplos estágios e o risco de estol pairam devido ao alto ganho de pressão. Na câmara de combustão, combustível e ar se misturam e reagem violentamente para gerar calor, influenciados pela forma como o combustível se atomiza, como as misturas ar/combustível giram em espiral e pela estabilidade da chama.
As condições térmicas extremas nesse ponto podem ultrapassar 1.925°C, onde a transferência de calor para os conjuntos estruturais exige metais de altíssima qualidade para evitar a fusão. Na turbina, esses mesmos gases de combustão de alta pressão e temperatura, sem outro caminho a seguir, impactam as pás e os bocais. A extração de energia desses gases é otimizada quando as pás permanecem intactas, mas o estresse térmico repetitivo e uma velocidade de rotação tipicamente superior a 3.000 rpm tornam isso desafiador.
Por isso, canais complexos de resfriamento por efusão são integrados, formando uma película protetora de ar relativamente fria sobre a superfície da pá. Gradientes térmicos extremos são, então, um subproduto desse processo.
O desenvolvimento de turbomáquinas é, tradicionalmente, um processo com alto grau de experimentação, ou seja, caro, e devido à complexidade de cada estágio individualmente, uma equipe única de especialistas é geralmente responsável por um único estágio, comunicando-se com as demais equipes nos pontos de transição entre os estágios. Isso não é ideal, pois a interação entre estágios não é capturada e a complexidade se multiplica à medida que ocorrem interações de estágio a estágio.
Assim, os engenheiros iteram ciclos de projeto, teste e análise em hardware real para validar o desempenho, descobrir problemas imprevistos e calibrar os dados experimentais antes de finalizar um projeto de produção. Isso não é ideal para o tempo de chegada ao mercado, para a vantagem competitiva ou para uma necessidade crescente de soluções neutras em carbono.
As soluções digitais tradicionalmente espelharam essa abordagem isolada; no entanto, os avanços computacionais estão permitindo que os engenheiros combinem estágios e investiguem a interação entre eles antes da experimentação, reduzindo os ciclos de iteração de projeto.
Com capacidades sofisticadas e robustas de geração automática de malha, um conjunto completo de modelos de física avançada e ferramentas de pós-processamento poderosas e paralelizadas, o Simcenter STAR-CCM+ gera um efeito cascata que leva a investigações de escoamento de fluidos mais eficientes, cálculos de resistência e durabilidade de componentes durante análises multidisciplinares simultâneas. E embora uma única análise seja útil, explorar o espaço de projeto também é fundamental.
Dan Mekker sobre a importância dos fluxos de trabalho com ferramentas digitais da Siemens:
A Siemens Energy trabalha de forma colaborativa no desenvolvimento conjunto de tecnologias avançadas, entregando capacidades habilitadoras nos prazos desejados para oferecer produtos inovadores aos clientes. Os fluxos de trabalho do Simcenter STAR-CCM+ são cruciais dada a necessidade de modelagem de física de ordem superior.
Apesar de suas diferenças funcionais, o compressor, a câmara de combustão e a turbina são unidos como beneficiários da crescente eficiência, velocidade e precisão do Gêmeo Digital.
Como mencionado anteriormente, alguns dos escoamentos mais complexos em toda a aerodinâmica aplicada ocorrem nesses processos, e o chamado “shift-left” na modelagem computacional de alta fidelidade está impactando positivamente o custo e a eficiência de tempo dos ciclos de projeto. A CFD acelerada por GPU viabiliza a abordagem shift-left ao fornecer a velocidade computacional necessária para modelagem de alta fidelidade nas fases iniciais do processo de projeto.
O Gêmeo Digital da Siemens, que vai além do desempenho de GPU em CFD líder no setor, compreende uma vasta gama de soluções digitais, incluindo automação por modelos, exploração de espaço de projeto com soluções embarcadas de IA/ML, cadeias end-to-end de CAE-CAD-CAM, modelagem de motor completo e uma excelente estrutura de suporte ao cliente.
A importância da simulação de grandes vórtices para turbomáquinas
As abordagens de CFD por Simulação de Grandes Vórtices (LES, do inglês Large-Eddy Simulation) são reconhecidamente difíceis de executar na prática, pois resolvem diretamente vórtices turbulentos energéticos em um campo de escoamento em escalas muito pequenas.
Isso significa que o engenheiro deve testar os limites de seus recursos computacionais com tamanhos de malha computacional e comprimentos de passo de tempo onerosos para capturar os fenômenos de escoamento críticos ao aumento da confiança no projeto antes de cortar metal para prototipagem.
A LES representa um degrau a mais na escada de fidelidade em comparação com a abordagem de Navier-Stokes com médias de Reynolds (RANS) e não deixa de capturar nem simplifica excessivamente estruturas turbulentas instacionárias importantes para o projeto de turbomáquinas, especialmente nas proximidades das paredes, onde fenômenos físicos dependentes do tempo, como a geração periódica de vórtices ou interações instacionárias entre ondas de choque e camada-limite, estão presentes. A CFD acelerada por GPU torna a LES viável ao reduzir drasticamente o tempo computacional sem comprometer a precisão, enfrentando os desafios de recursos computacionais que historicamente limitaram sua adoção.
Um exemplo dessa necessidade de aproveitar simulações térmicas com LES é o projeto das bordas de fuga em pás de turbinas a gás. Essas pás devem ser extremamente finas, semelhantes ao fio de uma faca, suportar temperaturas incrivelmente altas e depender de engenharia avançada para garantir que a integridade da pá não seja comprometida. Simular isso é possível com a inclusão do modelo de Energia Segregada e a Equação de Estado de Gás Ideal no Simcenter STAR-CCM+. Na borda de fuga, o gás quente proveniente do caminho de gás externo da pá interage com o escoamento interno relativamente mais frio, que frequentemente sai por uma série de ranhuras na borda de fuga. Em seguida, ocorre a mistura e o impacto na borda de fuga da pá.
Capturar corretamente a mistura e o impacto desses dois escoamentos geralmente requer maior fidelidade do que um cálculo RANS padrão. Em um caso como esse, a CFD acelerada por GPU oferece uma melhoria clara de desempenho em relação à computação tradicional em CPU. Tomando um número típico de nós, neste caso, 3 nós Xeon Gold (120 núcleos de CPU) , esse problema levaria quase uma semana para produzir resultados significativos. A arquitetura de GPU significa que, de forma realista, as iterações de projeto podem ser concluídas em menos de um dia.
O uso de GPU para LES (Laser Extremity Simulation) de uma pá de turbina representa uma redução de mais de 80% no tempo de computação, em comparação com a CPU, usando três nós com 40 processadores Xeon Gold contra um nó com 4 processadores NVIDIA A100.
Capturando a transferência de calor detalhada em pás de turbina com LES
A Siemens Energy utiliza o Siemens Digital Industries Software e as soluções NVIDIA para aproveitar os benefícios da CFD acelerada por GPU em simulações de alta fidelidade em uma pá de rotor. Os benefícios da LES e sua aplicação a uma pá de turbina a gás axial comum com caminhos de escoamento interno são discutidos na seção a seguir. São apresentadas simulações de CFD acelerada por GPU para investigar o efeito de uma carga térmica aplicada à pá com física de resfriamento por película de transferência de calor conjugada (CHT) incluída.
A geometria utilizada nos estudos demonstra imediatamente como o Simcenter STAR-CCM+ é líder no tratamento de geometrias complexas, com um projeto interno composto por uma série de canais de resfriamento serpentinos internos, turbuladores com nervuras, pinos de resfriamento, ranhuras de resfriamento, canais superiores e furos de resfriamento por película. Capturar a física detalhada do escoamento turbulento começa com um nível suficiente de realismo no modelo CAD.
Da mesma forma, a malha computacional é fundamental para resolver as características do escoamento nessa escala. O Simcenter STAR-CCM+ é reconhecido pelo seu gerador de malha poliédrica integrado, que apresenta desempenho particularmente bom quando surgem escoamentos em espiral, como neste caso. As malhas nominais de LES podem crescer rapidamente, e frequentemente essa estratégia de malha permite contagens de células menores do que outras topologias de malha.
No caso da simulação CHT apresentada a seguir, escoamentos altamente detalhados foram capturados em uma malha de 69 milhões de elementos; no entanto, é comum que malhas de pás de turbina ultrapassem 100 milhões de elementos. Da mesma forma, casos de combustão frequentemente excedem uma ordem de grandeza a mais do que isso. Esses tamanhos de malha e os requisitos computacionais resultantes ressaltam a importância da velocidade de simulação.
Dan Mekker comentou sobre como a Siemens Energy está aplicando isso em escala real:
A modelagem de física de maior fidelidade para escoamentos em turbinas é benéfica para nós, já que muitos dos desafios de projeto aqui vão além do que se pode capturar com a CFD clássica RANS e URANS.
A computação acelerada NVIDIA foi fundamental para o sucesso dessas simulações e continuará sendo para os fluxos de trabalho de engenharia da Siemens Energy que exigem velocidade. As simulações iniciais foram realizadas em clusters de CPU NVIDIA não de última geração e produziram excelentes resultados, com tempos de execução comparativamente longos.
Em uma simulação transiente de precisão mista em 120 CPUs, o engenheiro buscava executar a simulação por tempo suficiente para observar dez passagens de escoamento, essencialmente o tempo necessário para que uma partícula de fluido percorra o comprimento da corda dez vezes.
O mesmo caso de pá de turbina foi então executado com CFD acelerada por GPU em uma máquina Blackwell B200, onde apenas 2 placas foram utilizadas. O mesmo caso, simulado por 10 passagens de escoamento, foi concluído, produzindo resultados idênticos aos encontrados nas execuções em CPU.
Pode-se então observar, ao comparar os dois casos, que houve uma redução de 77% no tempo de computação de CPU para GPU. Esse ganho de velocidade permitiu que os engenheiros da Siemens Energy produzissem resultados em um ritmo mais rápido, resultando tanto em mais projetos investigados quanto em transientes mais longos que influenciam significativamente as decisões de projeto relacionadas às propriedades térmicas da pá.
Vale mencionar que as visualizações desses resultados foram renderizadas diretamente na nova cena Studio fotorrealista do Simcenter STAR-CCM+ utilizando GPUs, permitindo que a equipe de engenharia compartilhe as qualidades do escoamento de projeto de forma mais livre e concisa com os tomadores de decisão em sua organização. Mais projetos, prazos mais longos e melhores técnicas de análise e visualização apoiaram os engenheiros e tomadores de decisão, permitindo que compreendessem melhor o comportamento das pás antes que qualquer seleção fosse feita para iniciar a prototipagem física onerosa.
A computação acelerada transforma a engenharia de turbinas
A transição para o processamento de CFD acelerado por GPU NVIDIA em fluxos de trabalho de LES para pás de turbina representa um salto significativo na dinâmica dos fluidos computacional moderna.
Ao aproveitar a arquitetura massivamente paralela, a alta largura de banda de memória das GPUs e o software de computação acelerada, pesquisadores e engenheiros podem alcançar reduções importantes nos tempos de execução, como demonstrado neste documento, aumentos de velocidade de 77%, sem sacrificar a precisão.
As restrições históricas de poder computacional estão diminuindo muito rapidamente, permitindo uma nova abordagem à engenharia digital: onde antes havia uma redução drástica do espaço de projeto, agora é possível explorar mais projetos no mesmo período de tempo, antes de cortar metal para prototipagem.
Esse desempenho aprimorado de computação acelerada não apenas torna práticas simulações de grande escala anteriormente inviáveis, mas também amplia a acessibilidade da LES, expandindo seu uso para além de onde a RANS era antes considerada a única opção. À medida que a tecnologia de GPU continua a evoluir, seu papel em viabilizar simulações de resolução de turbulência cada vez mais complexas e precisas será essencial para ampliar os limites da dinâmica dos fluidos computacionais de alta fidelidade.
Para saber mais sobre a abordagem da Siemens para engenharia de produtos e suas soluções integradas, conte com a JL.
Somos parceiros oficiais Siemens e oferecemos suporte especializado para que sua empresa aproveite todo o potencial das ferramentas de simulação, automação e digitalização industrial.
Clique aqui e entre em contato!
