¿Qué es la simulación CFD?
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¿Qué es la simulación CFD?
En este artículo nos centraremos en la comprensión de la simulación CFD de forma general detallando los diferentes pasos comunes a los distintos tipos de simulación (HVAC, hidrología, transferencia de calor, difusión de la contaminación, seguridad contra incendios…).
Definición de CFD
[computationnal fluids dynamics] El éxito de una simulación CFD depende de: la comprensión de los retos del modelo; una descripción completa de la geometría de la estructura; el desarrollo de una malla adaptada a la morfología de la estructura, haciéndola más densa en las zonas donde es probable que aparezcan los gradientes de las magnitudes deseadas; un estudio riguroso de las condiciones de contorno e iniciales, teniendo en cuenta los mecanismos aeráulicos o hidráulicos más influyentes. Y por último, una lectura rigurosa y crítica por ingenieros cualificados de los resultados según el problema estudiado.
¿Por qué utilizar la simulación CFD?
La CFD, acrónimo de Computational Fluid Dynamics (dinámica de fluidos computacional), es una herramienta de ingeniería que se engloba dentro de lo que se conoce como ingeniería asistida por ordenador (CAE). Más concretamente, la CFD se refiere a la simulación del flujo de fluidos, teniendo en cuenta los fenómenos físicos y químicos implicados (como la turbulencia, la transferencia de calor o las reacciones químicas).
Simulación CFD: una alternativa a las pruebas en el túnel de viento
Pruebas en el túnel de viento
Los ensayos en túnel de viento están diseñados para reproducir la interacción entre el viento turbulento y las estructuras. En el caso de las estructuras rígidas, lascargas aerodinámicas pueden evaluarse en modelos rígidos.
Las pruebas en túnel de viento han sido ampliamente utilizadas para aplicaciones industriales y de ingeniería civil durante las últimas cinco décadas .
Las pruebas en túnel de viento requieren una configuración costosa e instrumentación sofisticada para medir una variedad de variables de campo (velocidad del viento, cargas de presión, intensidad de turbulencia, etc.). Su principal limitación es que esas mediciones sólo se obtienen en unos pocos puntos concretos de la sección de prueba, lo que limita mucho la comprensión global de los procesos evolutivos o transitorios de fenómenos no estacionarios complejos (como la trituración de vórtices, las estelas turbulentas y la estratificación térmica).
Estudio de la ventilación natural en un túnel de viento
Estudio del túnel de viento Eiffel - Crédito @AirDesignLab
Simulación CFD: una evolución del tipo de caja de herramientas
CFD ofrece muchas ventajas sobre las pruebas de túnel de viento. Además de generar simulaciones a escala real (en lugar de modelos a escala reducida para muchas simulaciones físicas), también proporciona datos complementarios y permite comparar para un viento dado las velocidades del viento simultáneamente entre dos puntos. Es posible realizar estudios hidrológicos, aeráulicos o térmicos a diferentes escalas: desde microelectrónica hasta estudios de edificios y ciudades. Los resultados pueden visualizarse más claramente y explicarse a tantas personas como sea posible.
Simulación CFD: una amplia gama de aplicaciones
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Caja de herramientas que permite:
- Simule el flujo de un fluido alrededor o dentro de un cuerpo
- Aerodinámico
- Estudia el confort del viento
- Estudio de cargas de viento
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Caja de herramientas térmica:
- Estudiando los intercambios convectivos
- Estudiar los intercambios conductivos
- Estudiar los intercambios radiativos
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Caja de herramientas multifísica:
- Visualizar la dispersión de contaminantes
- Estudio extracción de humos
- Estudiar el movimiento del polvo, arena, etc.
- Estudia el movimiento de objetos, ventiladores, bombas, etc.
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Estudio hidrológico :
- Flujo de fluido
- Riesgo de inmersión
- Probabilidad de lluvia o nieve
Estos métodos pueden utilizarse para resolver una amplia gama de problemas, que presentaremos a continuación.
¿Qué puede ofrecer la simulación CFD?
Gracias a la simulación, se puede mejorar el diseño de un proceso o producto sin recurrir a la construcción de prototipos(costosa y lenta); se pueden evitar las malas decisiones; se obtiene un mejor conocimiento del proceso o producto, lo que permiteavanzar más rápidamente en el proceso de diseño (elección de las mejores soluciones), así como resolver los problemas que surjan en instalaciones o procesos ya en funcionamiento.
Por lo tanto se puede plantear el marco de un problema físico, se puede estudiar en simulación numérica CFD.
Descripción general del modelo CFD
¿Cómo se organiza un proyecto de simulación CFD?
¿Cuánto tiempo debo planificar para un proyecto de CFD?
En términos generales, un proyecto de simulación de fluidos implica un estudio preliminar del proceso/fenómeno que se va a analizar, la creación de un modelo geométrico detallado, la elección (y aplicación si es necesario) de los modelos matemáticos adecuados, la aplicación de los datos de funcionamiento como condiciones de contorno, el cálculo numérico (que puede variar de unos minutos a unos días, según la complejidad del cálculo) y el análisis de los resultados.
Por ello, aunque en los últimos años se han desarrollado aplicaciones que facilitan su uso, ejecutar correctamente un proyecto de CFD requiere experiencia y una importante inversión en recursos.
Definición del problema de estudio
Antes de comenzar un estudio de diseño, debemos hacerle algunas preguntas importantes. Estas preguntas son cruciales para determinar la geometría con la que empezaremos el análisis, en qué partes de su diseño nos centraremos y qué parámetros estudiaremos una vez completado el análisis.
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Entendiendo tu problema
- ¿Cuáles son las condiciones de funcionamiento de este diseño?
- ¿Qué materiales se utilizan en este diseño?
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¿Qué quieres saber sobre el rendimiento de este diseño?
- ¿Cuáles son los objetivos de este diseño?
- ¿Existen criterios de éxito o fracaso?
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¿Qué puedes cambiar en este diseño para lograr tus objetivos?
- ¿Se pueden cambiar las condiciones de funcionamiento?
- ¿Se puede cambiar de material?
- ¿Qué partes del diseño se pueden cambiar?
Una vez respondidas estas preguntas para mejorar la comprensión de los problemas, se detalla aquí el proceso de modelización CFD común a todos los tipos de proyectos.
Preparación del modelo 3D
¿Cómo se elabora el modelo CFD 3D?
Una simulación eficaz comienza con unas buenas técnicas de modelización, tanto en lo que respecta a la integridad del modelo como a la creación adecuada de las diferentes regiones de flujo de fluidos y la optimización de la malla. El primer paso es diseñar un modelo para el análisis del flujo de fluidos. Esto significa modelar la geometría donde se produce el flujo y optimizar el modelo para la simulación.
Optimizar el modelo para la simulación.
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El problema :
- La geometría del nivel de producción puede contener lagunas, lagunas y detalles compuestos por muchos elementos pequeños perjudiciales para la simulación CFD.
- Estas características a menudo son necesarias para la fabricación, pero pueden agregar una complejidad innecesaria para la simulación. Se trata entonces de seleccionar sólo aquellos elementos que sean relevantes para el tema en cuestión.
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La metodología :
- Para ahorrar tiempo y recursos informáticos, reducimos las partes del modelo que son demasiado pequeñas para afectar los resultados de la simulación.
- Para ensamblajes grandes, conservamos solo las partes críticas del diseño. Esto acelera el proceso de resolución.
- En algunos casos, recrearemos una nueva versión simplificada de su diseño para centrarnos en las áreas clave del estudio.
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Los diferentes pasos para reparar la geometría del modelo 3D CFD :
- Eliminar espacios que impidan llenar vacíos. Por lo general, se trata de huecos entre piezas, taladros, elementos de carpintería para edificios, etc.
- Reducción de conjuntos muy grandes para incluir sólo los componentes vitales.
- Eliminar espacios entre elementos no contiguos.
Preparación del modelo 3D CFD para la optimización de la malla
Para estudiar el movimiento de los fluidos en un diseño, debe haber un modelo de la región de flujo. Lamayoría de los modelos 3D no lo incluyen por defecto, así que se trata de hacerlos desde un software que complemente el modelo 3D original. Por otro lado, también se trata de preparar el modelo para la optimización de la malla en zonas de alto riesgo. Así, añadimos piezas 3D, invisibles en los renders y en los estudios CFD, que se utilizarán para refinar con precisión la malla en las zonas de flujo que se capturarán en el estudio CFD.
¿Qué es la malla? (¿y porque es importante?)
La generación de la malla (3D) es una fase importante en un análisis CFD, dada su influencia en la solución calculada. Una malla de muy buena calidad es fundamental para obtener un resultado de cálculo preciso, robusto y significativo.
Cálculos de elementos finitos
Antes de ejecutar una simulación CFD, la geometría se divide en pequeñas piezas llamadas elementos. La esquina de cada elemento es un nodo. El cálculo se realiza en los nodos. Estos elementos y nodos constituyen la malla.
En los modelos tridimensionales, la mayoría de los elementos son tetraedros: un elemento de cuatro lados con una cara triangular. En los modelos bidimensionales, la mayoría de los elementos son triángulos.
Estructura de malla
Se distingue entre malla estructurada y no estructurada, ortogonal o libre. En una malla estructurada 3D, el cálculo se realiza con mayor rapidez ya que no requiere el montaje de una matriz de conexión. En una malla no estructurada, este no es el caso. La ventaja de este último es que permite mallar cualquier geometría. Por otro lado, la creación y la memorización de la matriz pueden ralentizar mucho el cálculo. Este tipo de malla se utiliza para geometrías complejas con curvas o gran cantidad de elementos.
Los volúmenes sólidos requieren pocos elementos , a diferencia de los volúmenes fluidos que requieren un refinamiento preciso porque no pueden alejarse de una geometría paralelepipédica; de hecho, para los ángulos de los elementos muy deformados, existen riesgos de que el cálculo no pueda converger.
Visualización del impacto de la malla en la resolución del estudio CFD
Densidad de la malla
Con respecto a la densidad de la malla, es necesario encontrar un compromiso entre el costo del tiempo de cálculo y la precisión deseada. De nada sirve densificar la malla, en consecuencia aumentar el número de iteraciones, si la precisión es suficiente con un número limitado de elementos.
Principio de adaptación de la malla
La calidad de la malla tiene un impacto serio en la convergencia , la precisión de la solución y especialmente en el tiempo de cómputo. Una buena calidad de malla se basa en la minimización de los elementos que presentan «distorsiones» y en una buena «resolución» en las regiones que presentan un fuerte gradiente (gap, capas límite, recirculación, etc.).
La malla está adaptada para ser lo más fina posible en las áreas críticas de estudio. Esto permite tener en cuenta los fenómenos macroscópicos (volumetría de los edificios) que canalizan los tubos de corriente por efecto venturi, a la vez quecaptan correctamente los fenómenos aeráulicos de menor escala (difusión del aire).
¿Cómo se definen las condiciones límite del CFD?
Condiciones iniciales
Las condiciones iniciales representan las características del flujo en términos de velocidad y posición de la superficie libre al inicio de la simulación. Si el cálculo comienza con valores aleatorios, la simulación puede divergir rápidamente. Para no desviarse demasiado de los resultados realistas y optimizar el tiempo de cálculo, las condiciones iniciales se estudian y se eligen antes del estudio CFD.
Condiciones de contorno
El estudio de las condiciones de contorno es determinante en un modelado, se pueden resumir las condiciones de contorno como las hipótesis de la simulación. Este es el paso más crítico para el éxito del estudio, y el establecimiento de las condiciones límite específicas del proyecto debe estudiarse en detalle al inicio del encargo.
Método de resolución
Selección del modelo de turbulencia
La noción de modelo de turbulencia es particular en mecánica de fluidos. Permite catalogar las diversas estructuras que coexisten en un flujo y darles una cierta importancia dentro del flujo.
Estudios comparativos de modelos de turbulencia realizados por Combes[2000] han permitido designar el modelo con dos ecuaciones de transporte k-ε como el modelo más adecuado para flujos generalistas. Es uno de los modelos más utilizados, el más potente, el más sencillo y el más validado. k representa la energía cinética turbulenta y ε la tasa de disipación de la energía cinética turbulenta. Lógicamente lo usaremos para la mayoría de las simulaciones de fluidos en termoaeráulica e hidrología, pero podemos seleccionar otros modelos de turbulencia para simulaciones particulares.
Método de cálculo
La solución numérica se lleva a cabo mediante la linealización y discretización del conjunto de ecuaciones de conservación, lo que requiere la subdivisión del dominio computacional en una serie de volúmenes finitos no contiguos (malla). La resolución del estudio consiste en la resolución del sistema de ecuaciones no lineales de Navier-Stokes en servidores informáticos dedicados a CFD.
Ver los resultados
Resúmenes gráficos
El flujo de un fluido en un volumen suele ser complejo e implica muchas recirculaciones a baja velocidad, lo que dificulta su visualización en un plano. Informamos de los fenómenos más llamativos por planos/secciones de situaciones y explicaciones muy completas.
Disponemos de una amplia gama de representaciones (tubo de corriente, campos vectoriales, isosuperficie, etc.) que nos permiten transcribir de la mejor manera los fenómenos aeraulicos identificados en el informe técnico.
La interpretación de los resultados requiere el dominio del software de análisis CFD, pero sobre todo conocimientos de física y del producto analizado para poder explicar con precisión los distintos fenómenos.
Resúmenes gráficos
De acuerdo con nuestros comentarios, para los elementos más llamativos, se producen videos que muestran las diferentes vistas del modelo CFD de forma dinámica. El resumen técnico que puede hacer referencia a estos videos para que sea más fácil de leer. De hecho, ciertos fenómenos resultan difíciles de comprender en el plano.
Ventajas y desventajas de la simulación CFD
Ventajas de la simulación CFD
- Los modelos se pueden simular en su totalidad y permiten analizar simultáneamente el impacto de muchos fenómenos
- Las simulaciones proporcionan datos de medición para cualquier punto (en la red)
- Se pueden guardar muchos parámetros que no son accesibles en los experimentos, los diseños se pueden asegurar.
- En las primeras fases del proceso de diseño, se puede simular un gran número de prototipos para recopilar rápidamente información para la optimización del sistema
- Las simulaciones pueden contribuir a una mejor comprensión del problema para desarrollar soluciones técnicas relevantes
- Integrar la simulación CFD en sus protocolos de diseño significa integrar un equipo de expertos que tendrán una perspectiva diferente en la búsqueda de una solución.
Desventajas de la simulación CFD
- Pueden ocurrir errores debido a modelos que tienen condiciones de contorno demasiado simples o erróneas.
- Posibles incertidumbres debidas a la insuficiencia de valores de cálculo por celda y a los errores de interpolación resultantes
- El tiempo de cálculo para modelos grandes puede ser largo
Estos problemas se reducen claramente gracias a la experiencia adquirida por los ingenieros de EOLIOS en numerosos proyectos. Es importante realizar este tipo de estudios con un equipo cualificado.
¿Cuánto cuesta una simulación CFD?
De acuerdo, es cierto que el CFD no es la herramienta de ingeniería más barata (comparada con una aplicación CAD estándar o una hoja de cálculo) debido a su complejidad y a sus requisitos (experiencia, licencias, recursos computacionales).
Por otro lado, los resultados que ofrece este tipo de estudios y su contribución a un proceso de diseño o resolución de problemas no pueden compararse con los obtenidos con herramientas más sencillas.
La reducción del tiempo de diseño, el ahorro en la creación de prototipos y la mejora del proceso o del producto suelen compensar el coste de la simulación CFD.
Ofrecemos protocolos de misión adaptados a cualquier presupuesto.
Si después de leer esto cree que su proyecto podría beneficiarse de las herramientas CFD, póngase en contacto con nosotros y le proporcionaremos un protocolo de estudio claro y detallado.
Ejemplos de aplicaciones de simulación CFD
Ejemplo de proyectos de simulación CFD:
Simulación CFD de los fenómenos aerodinámicos de un pelotón de ciclistas
Simulación CFD de la resistencia aerodinámica: cálculo avanzado para mejorar la aerodinámica
Impacto del viento en una central solar
Pérdida de carga y resistencia hidráulica
Legionella y torres de refrigeración
Criterios de comodidad para los peatones y cartografía
Estudio de vientos extremos – Central solar
Efecto de tiro térmico
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