¿Qué es la simulación CFD?

¿Qué es la simulación CFD?

En este artículo nos centraremos en entender la simulación CFD de manera general, detallando las distintas etapas comunes a los diferentes tipos de simulación (HVAC, hidrología, transferencia térmica, difusión de la contaminación, seguridad contra incendios…).

Definición de la CFD

¿Por qué usar la simulación CFD?

La CFD, acrónimo de « Computational Fluid Dynamics », es una herramienta de ingeniería que forma parte de lo que se denomina ingeniería asistida por ordenador (IAO). Más concretamente, la CFD hace referencia a la simulación del flujo de fluidos, teniendo en cuenta los fenómenos físicos y químicos implicados (tales como la turbulencia, la transferencia de calor o las reacciones químicas).

La simulación CFD: una alternativa a los ensayos en túnel de viento

Los ensayos en túnel de viento

Los ensayos en túnel de viento tienen por objeto reproducir la interacción entre el viento turbulento y las estructuras. Para las obras estructuralmente rígidas, es posible evaluar las cargas aerodinámicas sobre maquetas rígidas.

Los ensayos en túnel de viento se han utilizado ampliamente para las aplicaciones industriales y en la ingeniería civil a lo largo de las últimas cinco décadas.

Los ensayos en túnel de viento requieren una instalación costosa e instrumentos sofisticados para medir una gama de variables de campo (velocidad del viento, cargas de presión, intensidad de la turbulencia, etc.). Su principal limitación reside en que tales mediciones solo se obtienen en unos pocos puntos precisos de la sección de ensayo, lo que restringe considerablemente la comprensión global de los procesos evolutivos o transitorios de fenómenos complejos no estacionarios (tales como el desprendimiento de vórtices, las estelas de turbulencia y la estratificación térmica).

Estudio de la ventilación natural en túnel de viento

La simulación CFD: una evolución de tipo caja de herramientas

La CFD ofrece numerosas ventajas para la ventilación frente a los ensayos en túnel de viento. Además de generar simulaciones a escala real (en lugar de modelos a escala reducida como en muchas simulaciones físicas), también proporciona datos complementarios y permite comparar, para un viento dado, las velocidades de viento simultáneamente entre dos puntos. Es posible realizar estudios de hidrología, de aeráulica o de térmica a diferentes escalas: de la microelectrónica a los estudios de edificios y de ciudades. Los resultados pueden visualizarse con mayor claridad y explicarse al mayor número de personas.

La simulación CFD: un abanico muy amplio de aplicaciones

Estos métodos permiten resolver un abanico muy amplio de problemáticas que presentamos más abajo.

¿Qué puede aportar el uso de la simulación CFD?

Gracias a la simulación CFD, el diseño de un proceso o de un producto puede mejorarse sin recurrir a la construcción de prototipos (costosos en tiempo y en dinero); puede evitarse una mala toma de decisiones; se obtiene un mejor conocimiento del proceso o del producto, gracias al cual es posible avanzar más rápidamente en los procesos de diseño (elección de las mejores soluciones), así como resolver los problemas que aparecen en instalaciones o procesos ya en funcionamiento.

Desde el momento en que se puede plantear el marco de un problema físico, este puede estudiarse mediante simulación numérica CFD.

¿Cómo se organiza un proyecto de simulación CFD?

¿Cuánto tiempo prever para un proyecto CFD?

En general, un proyecto de simulación de fluidos implica un estudio previo del proceso o del fenómeno a analizar, la creación de un modelo geométrico detallado, la elección (y la puesta en marcha si es necesario) de los modelos matemáticos apropiados, la aplicación de los datos de explotación 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.

Así, a pesar de que en los últimos años se han desarrollado aplicaciones para facilitar su uso, ejecutar correctamente un proyecto CFD requiere experiencia y una inversión importante en recursos.

Definición de la problemática de estudio

Antes de comenzar un estudio de diseño, debemos hacerte algunas preguntas importantes. Estas preguntas son cruciales para determinar la geometría con la que iniciaremos los análisis, las partes de tu diseño en las que concentrarnos y los parámetros a observar una vez finalizado el análisis.

Una vez obtenidas estas respuestas, que permiten mejorar la comprensión de los desafíos, detallamos aquí el proceso de modelado CFD común a todos los tipos de proyecto.

Preparación del modelo 3D

¿Cómo se realiza el modelo 3D de estudio CFD?

Una simulación eficaz comienza por buenas técnicas de modelado, tanto en términos de integridad del modelo como de creación apropiada de las distintas regiones de flujo de los fluidos y de optimización de la malla. El primer paso consiste en diseñar un modelo para el análisis del flujo de los fluidos. Esto significa modelar la geometría donde se produce el flujo y optimizar el modelo para la simulación.

Optimizar el modelo para la simulación

Preparar el modelo 3D CFD para la optimización de la malla

Para estudiar el movimiento de los fluidos en un diseño, debe existir un modelado de la región de flujo. La mayoría de los modelos 3D no lo incluyen por defecto: se trata entonces de realizarlo con programas que completan el modelo 3D de origen. Por otra parte, también se trata de preparar el modelo para la optimización de la malla en las zonas de mayor relevancia. Así, añadimos piezas 3D — invisibles en los renders y en los estudios CFD — cuya función será permitir refinar con precisión la malla en las zonas de flujo a capturar.

¿Qué es el mallado? (¿y por qué es importante?)

La generación de la malla (3D) es una fase importante de un análisis CFD, dada su influencia sobre la solución calculada. Una malla de muy buena calidad es esencial para obtener un resultado de cálculo preciso, robusto y significativo.

Cálculos por elementos finitos

Antes de ejecutar una simulación CFD, la geometría se divide en pequeños fragmentos llamados elementos. La esquina de cada elemento es un nodo. El cálculo se efectúa 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 y cara triangular. En los modelos bidimensionales, la mayoría de los elementos son triángulos.

Estructura de la malla

Se distingue la malla estructurada y la no estructurada, ortogonal o libre. En una malla estructurada en 3D, el cálculo se realiza más rápidamente ya que no requiere el ensamblaje de una matriz de conexión. En una malla no estructurada, no es el caso. La ventaja de esta última es que permite mallar geometrías cualesquiera; en cambio, la creación y el almacenamiento en memoria de la matriz pueden ralentizar mucho el cálculo. Este tipo de malla se utiliza para geometrías complejas con curvas o un gran número de elementos.

Los volúmenes sólidos requieren pocos elementos, al contrario de los volúmenes de fluidos que requieren un refinamiento preciso ya que no pueden alejarse de una geometría paralelepipédica; en efecto, para los ángulos de los elementos muy deformados, existe el riesgo de que el cálculo no pueda converger.

Densidad de la malla

En lo que respecta a la densidad de la malla, conviene encontrar un equilibrio entre el coste del tiempo de cálculo y la precisión buscada. Es inútil densificar la malla — y 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 sobre la convergencia, la precisión de la solución y sobre todo sobre el tiempo de cálculo. 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…).

La malla se adapta para ser lo más fina posible en las zonas de estudio críticas. Esto permite tener en cuenta los fenómenos macroscópicos (volumetría del edificio) que canalizan tubos de corriente por efecto Venturi, a la vez que capta correctamente los fenómenos aeráulicos de menor escala (difusión de aire).

¿Cómo se definen las condiciones de contorno CFD?

Condiciones iniciales

Las condiciones iniciales representan las características del flujo en términos de velocidad y de posición de la superficie libre al inicio de la simulación. Si el cálculo comienza con valores aleatorios, la simulación corre el riesgo de divergir rápidamente. Para no alejarse 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. Es la etapa más determinante para el éxito del estudio: la definición de las condiciones de contorno específicas del proyecto deberá ser objeto de un estudio detallado desde el comienzo de la misión.

Método de resolución

Selección del modelo de turbulencia

La noción de modelo de turbulencia es particular en mecánica de fluidos. Permite catalogar las distintas estructuras que coexisten en un flujo y darles una cierta importancia dentro del flujo.

Estudios comparativos de los modelos de turbulencia realizados por Combes [2000] permitieron designar el modelo de dos ecuaciones de transporte k-ε como el más adaptado a los flujos generalistas. Es uno de los modelos más utilizados, el más eficaz, el más simple y el más ampliamente validado. k representa la energía cinética turbulenta y ε la tasa de disipación de esa energía cinética turbulenta. Lógicamente, lo utilizaremos para la mayoría de las simulaciones de fluidos en termo-aeráulica y en 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 la discretización del conjunto de ecuaciones de conservación, lo que requiere la subdivisión del dominio de cálculo en un número de volúmenes finitos no contiguos (la malla). La resolución del estudio consiste en la resolución del sistema de ecuaciones no lineales de Navier-Stokes en servidores informáticos dedicados a la CFD.

Visualización de los resultados

Síntesis gráficas

El flujo de un fluido en un volumen es generalmente complejo y presenta numerosas recirculaciones de baja velocidad, lo que dificulta la visualización en plano. Damos cuenta de los fenómenos más destacados mediante planos / cortes de situación acompañados de explicaciones muy completas.

Disponemos de una amplia gama de representaciones (tubo de corriente, campo vectorial, isosuperficie…) que permiten reflejar de la mejor manera los fenómenos aeráulicos identificados en la memoria técnica.

La interpretación de los resultados requiere el dominio del programa de análisis CFD pero sobre todo competencias en física y un conocimiento del producto analizado para explicar con precisión los distintos fenómenos.

Vídeos de síntesis

Según nuestra experiencia, para los elementos más destacados, se realizan vídeos que recogen las distintas vistas del modelo CFD de manera dinámica. La memoria técnica puede hacer referencia a estos vídeos para facilitar su lectura — ya que ciertos fenómenos resultan poco comprensibles en plano.

Ventajas e inconvenientes de la simulación CFD

Estas problemáticas se reducen muy notablemente gracias a la experiencia adquirida en numerosos proyectos por los ingenieros de EOLIOS. Es importante realizar este tipo de estudio con un equipo cualificado.

¿Cuánto cuesta una simulación CFD?

Seamos honestos: la CFD no es la herramienta de ingeniería más barata (en comparación con una aplicación o una hoja de cálculo CAD estándar) dada su complejidad y sus exigencias (experiencia, licencias, recursos de cálculo).

En cambio, los resultados que este tipo de estudio ofrece y su contribución a un proceso de diseño o de resolución de problemas no pueden compararse con los obtenidos con herramientas más simples.

La reducción del tiempo de diseño, el ahorro en prototipado y la mejora del proceso o del producto compensan generalmente el coste de la simulación CFD. Ofrecemos protocolos de misión adaptados a cualquier presupuesto.