Laboratórios virtuais para investigação de sistemas físicos
CFD, FEA, PINN, ROM, LES, RANS, DNS, entre outras siglas, representam diferentes abordagens para a simulação computacional de fenômenos físicos. Todas elas compartilham o mesmo objetivo: compreender as leis da natureza e aplicá-las no desenvolvimento de novas tecnologias. Este é um campo impulsionado tanto pela necessidade prática quanto pela busca científica por novos conhecimentos.
O procedimento científico clássico para o desenvolvimento e validação de métodos numéricos em simulações computacionais segue um processo sistemático:
- Estudo das leis físicas que regem o fenômeno de interesse.
- Representação dessas leis por meio de equações matemáticas.
- Análise de estratégias para a solução aproximada dessas equações, conforme a complexidade do sistema.
- Proposição de um método de solução.
- Implementação computacional do método.
- Definição de testes para validação da implementação e do método.
- Realização de simulações e comparação com dados experimentais ou soluções analíticas.
- Validação do código.
Após a validação, o programa pode ser utilizado para simular cenários físicos relevantes. Tradicionalmente, muitas empresas desenvolvem simuladores fechados, vendidos sob licenças comerciais, que operam como “caixas-pretas” e limitam o acesso ao código-fonte. Esse modelo prioriza a aplicação prática imediata, direcionando a maior parte da comunidade de simulação numérica a utilizar ferramentas pré-configuradas para problemas já estabelecidos.
Na L2C, adota-se uma perspectiva complementar: a simulação computacional como ferramenta para construir e explorar cenários artificiais que seriam inviáveis de reproduzir em laboratório. Esses experimentos numéricos visam investigar a dinâmica de mecanismos físicos complexos, expandindo o conhecimento científico mesmo em casos sem aplicação prática imediata.
Um exemplo desse paradigma é o SIMMSUS, um código de simulação desenvolvido em Fortran e mantido desde 2009, disponível como software de código aberto no repositório do Laboratório de Computação Científica em Escoamentos Complexos da Universidade de Brasília (UnB):
➡️ https://github.com/lcec-unb/simmsus
O código permite estudar sistemas como suspensões líquido-sólido de partículas magnéticas. Em um dos experimentos numéricos conduzidos, simula-se o comportamento de 1000 esferas densas imersas em um fluido viscoso sob a ação da gravidade, com condições de contorno periódicas. A comparação entre partículas não magnéticas e partículas magnetizadas revela a influência das interações magnéticas e hidrodinâmicas sobre a organização espacial do sistema.
Esse modelo investiga, por exemplo, como interações combinadas podem induzir efeitos de mistura em suspensões magnéticas, um fenômeno com potencial aplicação em áreas como tratamento de câncer por hipertermia magnética, controle térmico em microgravidade e remediação ambiental.
Mais do que buscar aplicações imediatas, o propósito desse tipo de simulação é explorar possibilidades, formular novas perguntas e compreender aspectos fundamentais do comportamento físico de sistemas complexos. A simulação computacional, nesse contexto, torna-se um laboratório virtual para investigar cenários que transcendem as limitações experimentais, promovendo avanços científicos e inspirando novas formas de interação com os fenômenos naturais.
