CFD-03. Desprendimiento de Vórtices. Análisis Transitorio.

En esta tercera entrada relacionada con la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) veremos un ejemplo clásico de análisis transitorio: el desprendimiento de vórtices en la estela de un cilindro. Usaremos de nuevo el solver Acusolve con su pre-procesador Hyperworks CFD.

Vamos a estudiar el flujo alrededor de un cilindro con un número de Reynolds en la entrada cercano a 100. Este problema se ha estudiado en numerosas ocasiones, y es conocido que para valores del Reynolds en ese entorno, el flujo desprende a su paso por el cilindro una serie de vórtices en condiciones de flujo laminar inestable.

El objetivo de la simulación será visualizar estos vórtices y su evolución temporal. Los pasos a seguir se encuentran detallados en el tutorial disponible en nuestra sección de Descargas, en este post veremos los aspectos más importantes a tener en cuenta.

Geometría del modelo

En primer lugar se define el modelo geométrico. Es importante dejar suficiente espacio en todas las direcciones alrededor del cilindro para que las condiciones de contorno no afecten al flujo que se quiere estudiar. En este caso también se tiene que el modelo es, a efectos prácticos, bidimensional. Acusolve requiere trabajar con un modelo tridimensional, por lo que se usará un espesor similar al tamaño de elemento a emplear en la zona de bajo interés. El dominio de la simulación se muestra en la siguiente imagen.

Geometría del dominio completo a estudiar en el problema

Como material del dominio, para este estudio usaremos uno definido manualmente con 1 kg/m3 de densidad y 0.01 Pa·s de viscosidad dinámica. De esta forma, imponiendo una velocidad de entrada de 1m/s tendremos que el número de Reynolds a la entrada es igual a 100. En las caras laterales se colocan condiciones de simetría para reflejar la bidimensionalidad buscada.

Mallado del modelo CFD

Para el mallado, en las regiones de bajo interés se utiliza un tamaño de elemento similar al espesor. Como zonas de refinamiento se definen dos bandas de 5 metros de ancho centradas en el cilindro según muestra la imagen.

Detalle del mallado del problema mostrando las zonas de refinamiento

En el tutorial también se muestra un proceso de utilidad en este tipo de estudios, en el que a la simulación CFD transitoria se le da como condición inicial el resultado de un análisis estacionario relacionado. De esta forma se observan en la simulación directamente las inestabilidades de flujo buscadas, sin pasar por una primera etapa en la que el flujo llega progresivamente al cilindro. En este proceso también se explica cómo modificar el archivo .inp de Acusolve y lanzar simulaciones desde la terminal.

Simulación CFD: Desprendimiento de vórtices

Finalmente se muestran algunos resultados de la simulación, que permiten ver el desprendimiento de vórtices desde una situación de flujo laminar. Se dan los resultados de velocidad y presión en la estela del cilindro en el instante final de la simulación. La animación de Hyperworks CFD con la herramienta de Post-Procesado permite ver la evolución.

Resultados de velocidad y presión en la estela del cilindro, donde pueden verse los vórtices desprendidos

En la siguiente entrada veremos un ejemplo de simulación multifase empleando modelo de turbulencia LES. En concreto utilizaremos el software Fire Dynamics Simulator (FDS) del NIST para simular un incendio en un garaje y la eficiencia en la extracción de humos, viendo desde la preparación del modelo al post-proceso de los resultados con Smokeview.

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