CFD-01. MÉCANICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL. INTRODUCCIÓN

Hoy vamos a comenzar una serie de entradas relacionadas con la simulación computacional de fluidos, CFD (Computational Fluid Dynamics), abordando desde conceptos simples o introductorios que se encuentran de manera sencilla en la red a otros más complejos basados en la experiencia adquirida por ICEMM en proyectos reales.

Para aquellos que no han tenido ningún contacto previo con esta tecnología, indicar que CFD (Computational Fluid Dynamics) es la ciencia que permite predecir el comportamiento del flujo de un fluido, la transmisión de calor y masa, y los fenómenos relacionados con reacciones químicas, …

¿Qué podemos obtener de análisis y simulaciones CFD?

Las simulaciones CFD nos permiten obtener información detallada de todas las propiedades que conforman el flujo del fluido:

  • Distribución de velocidad, presión, temperatura, …
  • Fuerzas ejercidas sobre sólidos (vehículos, aviones, edificaciones, …)
  • Comportamiento de mezclas de fluidos con otros fluidos o sólidos
  • Composición en el transporte de “especies”

Indicar también que las simulaciones CFD son usadas en todas las fases de cualquier proyecto ingenieril que demanden un conocimiento profundo del comportamiento del fluido, complementando los posibles ensayos a realizar, y permitiendo consecuentemente un ahorro en costes y plazos de desarrollo.

¿Cómo funciona una simulación CFD?

Existen en la actualidad 2 esquemas principales, los basados en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes, NS, y los basados en el método de “lattice Boltzmann”, LBM.

El primero es el esquema tradicional, con una amplia trayectoria y validación en multitud de problemas fluidodinámicos y térmicos. Es empleado por los principales softwares CFD como Ansys Fluent, Star CCM+, MSC Cradle o Acusolve. Hay que indicar también que las resoluciones de las ecuaciones de Navier-Stokes pueden resolverse mediante la aplicación de la técnica de Volúmenes Finitos (Ansys Fluent, Star CCM+ o MSC Cradle) o por Elementos Finitos (Acusolve o Comsol). Las ventajas y desventajas entre un método y otro son bien conocidas, y las abordaremos en posteriores publicaciones.

Respecto al método de método de “lattice Boltzmann” es importante indicar las ventajas que supone su uso en la fase de preproceso, donde la generación del volumen de estudio es casi automático, independientemente de la complejidad de la geometría, así como en el tratamiento de la turbulencia y de procesos transitorios, especialmente con geometrías móviles. La principal desventaja de este método actualmente son los requerimientos computacionales, la imposibilidad de evaluar procesos estacionarios de manera eficiente y la falta de validación en comparación con método basado en Navier-Stokes.

En ICEMM únicamente hemos trabajado hasta ahora con el método basado en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes, por lo que toda la documentación publicada a partir de ahora, irá referenciada a ese método.

Resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes

El funcionamiento de una simulación CFD basado en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes puede resumirse en los siguientes pasos:

  • Discretización del dominio a estudio en un número finito de volúmenes de control o celdas
Discretización del volumen a estudio – Malla
  • Resolución de las ecuaciones de conservación de masa, momento, energía, especies, … en el conjunto de volúmenes de control
  • Discretización de las ecuaciones en derivadas parciales en un sistema de ecuaciones algebraicas y resolución de las mismas

La aplicación de los pasos anteriores en la resolución de cualquier simulación CFD puede resumirse según el esquema siguiente y que aplica a cualquiera de los softwares CFD empleados actualmente:

Las próximas entradas irán destinadas a explicar como aplicamos el esquema anterior a distintos tipos de problemas con el software Acusolve y FDS. Las entradas que serán publicadas en el blog de nuestra web y en la zona de descargas serán las siguientes:

  1. Introducción a la Simulación CFD
    • 1_1_Acusolve_Workflow – Tutorial básico – Interfaz (Acusolve)
    • 1_2_Vortex_Shedding – Análisis Transitorio (Acusolve)
    • 1_3_Fire_in_Garage – Análisis Multifase (FDS)
    • 1_4_Cooling_Device – Análisis con capa límite (Acusolve)
    • 1_5_Backward_Step – Análisis de Turbulencia (Acusolve)
    • 1_6_Turbulence_Grid – Análisis de Turbulencia (Acusolve)
    • 1_7_Airfoil – Flujo compresible (Acusolve)
  2. Turbulencia
    • 2_1_Curved_Channel – SST con Corrección por Curvatura
    • 2_2_Diffuser – Modelos RANS de Turbulencia
    • 2_3_Airfoil – Transición de flujo Laminar a Turbulento
    • 2_4_Stable_Pipe – Simulación LES y Turbulencia artificial
    • 2_5_Periodic_Hills – Hybrid RANS-LES models
    • 2_6_Cylinder – Hybrid RANS-LES + Transition effects
    • 2_7_Bluff_Body – Scale-Adaptive Simulation (SAS)
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