En una simulación CFD convencional, el dominio se divide en pequeños volúmenes de control. Cuando un objeto dentro de ese fluido se mueve (por ejemplo, un pistón o una válvula), la malla original deja de coincidir con los límites originales del dominio. Sin embargo, estas situaciones son muy habituales en procesos y productos, por lo que las simulaciones CFD con elementos móviles representan un área de alto interés industrial.
Para llevar a cabo estas simulaciones se emplean Mallas móviles, en las cuales se puede definir el movimiento de la malla (traslación, giro…) para adaptarse a los cambios en la geometría del dominio durante la simulación.
La diferencia principal es que, a diferencia de una malla fija (donde el fluido pasa a través de las celdas inmóviles), los nodos de malla tienen su propia velocidad y trayectoria.
Métodos de simulación para mallas móviles
La elección de la técnica adecuada depende de la naturaleza del movimiento (rotación, traslación lineal o trayectoria compleja) y del tipo de interacción que se esté simulando. Los tres métodos más habituales para abordar el problema son:
- MRF (Multiple Reference Frame): No implica un movimiento físico de la malla durante el cálculo, sino que se aplican cambios en el sistema de referencia para incluir fuerzas inerciales en las ecuaciones del fluido. Se utiliza mucho en turbomaquinaria (como ventiladores o mezcladores) ya que es un método rápido y útil para análisis estacionarios.
- Stretching Mesh: Aunque no se generan nuevos elementos, los nodos desplazan como si fueran resortes, estirando o comprimiendo las celdas existentes para adaptarse al movimiento definido. Su uso principal se encuentra en movimientos lineales en dominios acotados, ya que evita errores de interpolación con la malla del resto del contorno. Por ejemplo, motores de combustión interna o válvulas de movimiento lineal.
- Overset Mesh: Se basa en la superposición de mallas independientes, una de fondo y otras para los objetos, que se desplazan libremente sin deformarse. Las mallas intercambian datos en las zonas donde se solapan mediante un proceso de interpolación para cada paso de tiempo. Resulta eficaz para movimientos libres o rotaciones complejas (como el vuelo de un dron). En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de un mezclador industrial.
Ejemplo de aplicación
Como caso práctico simplificado, analizamos la entrada de un tren en un túnel para evaluar el denominado efecto pistón. Conforme el vehículo avanza, comprime el aire frente a él, generando una onda de presión longitudinal que se desplaza a la velocidad del sonido. Este fenómeno genera cargas estructurales críticas y el característico “boom” a la salida del túnel.
El estudio se ha realizado implementando la técnica de Stretching Mesh en Cradle CFD en un dominio 2D, por lo que la simulación de los elementos móviles del modelo se basa en la compresión progresiva del volumen de aire situado entre el tren y la salida del túnel.
A continuación, se presentan los resultados obtenidos del análisis transitorio del modelo simplificado, donde se muestran la propagación de la onda de presión, el movimiento del tren y la deformación de la malla.
