Dinámica de Fluidos Computacional: ¿que es?
La Dinámica de Fluidos Computacional o CFD (del inglés Computational Fluid Dynamics) es el área de conocimiento que trata sobre la simulación numérica de flujos fluidos, transferencia de calor y fenómenos relacionados tales como reacciones químicas, combustión, aeroacústica etc. El CFD tuvo origen a partir de la combinación de dos disciplinas: mecánica de los fluidos y cálculo numérico. Las ecuaciones que rigen el flujo fluido tienen origen en la mecánica de los fluidos y pueden ser resueltas por medio de diferentes métodos numéricos.
La principal ecuación resuelta vía Fluidodinámica Computacional es la ecuación de transporte de la variable de interés, representada por el símbolo Φ. Dicha ecuación es presentada debajo:
Todas las ecuaciones de conservación resueltas en Dinámica de Fluidos Computacional poseen la forma anterior, con cuatro términos: el término de tiempo, el término advectivo, el término difusivo y el término fuente. Para representar diferentes ecuaciones de conservación se alteran sólo tres componentes de la ecuación: la variable Φ, el coeficiente de difusión Γ, y la fuente S.
Por ejemplo, para la ecuación de conservación de masa (o continuidad), la variable Φ es igual a 1, el coeficiente de difusión y la fuente son nulos. A pesar de la fórmula ser ampliamente utilizada para aplicaciones CFD, se puede afirmar que hasta el momento no existe solución analítica de la ecuación arriba. De esa forma, es necesario resolverla por medio de algún método de discretización.
Los métodos de discretización más difundidos son el método de las diferencias finitas, el método de los elementos finitos y el método de los volúmenes finitos, siendo este último el más utilizado en Dinámica de Fluidos Computacional. Con esos métodos, se intercambia el dominio continuo por un dominio discreto, donde un conjunto de volúmenes de control es utilizado para representar el dominio original, como puede ser observado en la figura abajo.
El dominio es discretizado en pequeños volúmenes y la ecuación algebraica es resuelta para cada uno de esos elementos
La forma algebraica de la ecuación presentada anteriormente es resuelta en cada uno de los volúmenes de control, generando un sistema de ecuaciones que debe ser resuelto numéricamente. Esas ecuaciones son resueltas con el apoyo de softwares de Fluidodinámica Computacional, los cuales poseen capacidad para solucionar rápidamente y con precisión los más diversos problemas de CFD. Al final del texto abordamos los principales solvers de Mecánica de Fluidos Computacional presentes en el mercado en la actualidad.
Como garantizar que la malla es capaz de identificar correctamente la física del modelo?
El número de volúmenes de control a ser usado para el análisis debe ser establecido por medio del estudio de convergencia de malla, o sea, se analiza el mismo caso con mallas de refinamientos diferentes y se comparan los resultados. Cuando el resultado entre dos refinamientos de malla no sufre una gran alteración (o cambia muy poco), se dice que la convergencia de malla fue alcanzada.
Con la malla generada, se pasa a la configuración de la física del modelo, de las condiciones de contorno y del solver. Luego se resuelve el sistema de ecuaciones a través de un proceso iterativo, hasta la convergencia, o sea, cuando la variación de los resultados entre dos iteraciones consecutivas queda dentro de los límites en un criterio establecido por el usuario.
La etapa final es la de postprocesamiento, cuando los resultados son evaluados por medio de herramientas como vectores, líneas de corriente, distribuciones de colores, planos de corte, isosuperfícies, etc.
Ejemplo de malla generada para una análisis CFD
Aplicaciones del CFD en la Ingeniería
La Dinámica de Fluidos Computacional es ampliamente utilizada en los diferentes segmentos de la industria y soporta el proyecto y la fabricación de centenares de productos, tales como aviones, automóviles y navíos, así como los más diversos tipos de equipamientos industriales. La Mecánica de Fluidos Computacional puede ser utilizada desde la fase conceptual de un proyecto, ayudando a determinar la viabilidad y la mejor solución en producto, hasta la etapa de producción, permitiendo representar diversos escenarios. Con la ayuda de las herramientas de CFD es posible:
- Simular difusión y convección de substancias fluidas en los más diferentes ambientes
- Realizar la planificación y gestión de recursos hídricos
- Analizar la aerodinámica y aerotermodinámica de vehículos
- Evaluar la refrigeración de equipamientos, como reactores nucleares, motores etc.
- Hacer estudios de caracterización de polución ambiental, dispersión de gases, análisis y simulación de lanzamiento de poluentes y contaminantes en corrientes hídricas
- Simular hidrodinámica y hemodinámica
- Probar y desarrollar proyectos de sistemas propulsivos y de generación de energía en general
En la actualidad existen diferentes herramientas que ayudan a los profesionales de ingeniería a realizar análisis de Fluidodinámica Computacional. Algunos son paquetes multifísicos, como es el caso del Ansys AIM, que combina la simulación de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y fluido-mecánicas en una única interfaz y permite desarrollar un proyecto completo, desde el diseño hasta la simulación y análisis de los resultados.
Sin embargo, también existen herramientas con foco exclusivo en las soluciones de Mecánica de Fluidos Computacional, como los softwares Ansys Fluent y Ansys CFX. Estas dos herramientas permiten realizar diferentes análisis CFD tales como turbulencia, transferencia de calor, reacciones químicas, aeroacústica, turbomáquinas, modelar el flujo de fluidos, etc.
