Modelado de flujos compresibles: estrategias para mejorar la convergencia
Flujos compresibles se encuentran presentes en diversos equipos y procesos. La industria aeroespacial (aerodinámica de aviones, combustión en motores de cohetes, proyecto de boquillas, etc.), industria automotora (proyecto de airbags, análisis de pórticos de motores, etc.), industria química y procesamiento de materiales (proyecto de válvulas, Spray dryer, etc.) y proyecto de turbomáquinas (turbinas y compresores) son ejemplos de nichos de aplicación de flujos en que la variación de masa específica es relevante en la representación del flujo y de sus consecuencias.
Figura 1. Modelado de flujos compresibles
Regímenes de Flujo
De forma general, se pueden definir flujos compresibles como flujos en los cuales la masa específica de los fluidos varía en el dominio a partir de variaciones en el volumen, es decir, por variaciones en el campo de presión. Todos los flujos compresibles son de masa específica variable. Con todo, la recíproca no es verdadera (por ejemplo, flujos con variación de temperatura – combustión).
Todo flujo es compresible en mayor o menor nivel. El sonido se propaga con velocidad finita en medios compresibles y mismo sólidos con estructura molecular compacta presentan tal velocidad, que tiende a infinito a la medida en que nos acercamos del supuesto de incompresibilidad. En algunas situaciones, con todo, la variación de la masa específica es tan pequeña que podemos considerar el supuesto de flujo incompresible sin perjuicios para la solución final.
Se puede, de forma razonable para aplicaciones prácticas, asumir que el flujo es incompresible cuando el número de Mach es menor que 0,3. El número de Mach se define como la razón entre la velocidad característica del flujo y la velocidad del sonido, de conformidad con la Ecuación (1).
Así, se puede considerar el flujo como comprensible cuando se considere el número de Mach mayor que 0,3, que nos lleva a la clasificación a continuación:
• Subsónico, incompresible (M < 0,3);
• Subsónico, compresible (0,3 < M < 1,0);
• Transónico, compresible (M < 1,0);
• Supersónico, comprensible (M < 1,0);
• Hipersónico, comprensible (M < 4,0);
Figura 2. Regímenes de flujo en función del número de Mach.
Cada uno de estos regímenes implica una física de flujo diferente y consecuentemente se pueden encontrar retos numéricos.
Modelado de Flujos Compresibles utilizando CFD
La Fluidodinámica Computacional (CFD) como herramienta de proyecto sigue ganando fuerza con el aumento del poder computacional disponible y la eficiencia de los códigos empleados. El uso de simulaciones numéricas permite la reducción de los costes experimentales en la construcción de prototipos y realización de pruebas, así como obtener una riqueza de detalles de la hidrodinámica en el interior de los dispositivos que sería imposible ser obtenida con métodos experimentales. Por fin, la medición en laboratorio en algunos equipos que operan en régimen compresible puede tornarse muy cara, principalmente si el equipo opera en altas presiones.
Los solvers de CFD de ANSYS (Fluent y CFX) suministran soluciones robustas y eficientes para el modelado de flujos compresibles desde problemas subsónicos hasta hipersónicos, incluso flujos reactivos y altas temperaturas (vuelos hipersónicos y motores-cohete).
Con todo, al lidiar con una física compleja, se pueden encontrar dificultades numéricas. Pensando en tal, se abordarán a continuación algunas estrategias que se pueden utilizar con el objetivo de mejorar la convergencia numérica de su simulación.
