Por David Calderón Villegas
¿QUÉ ES CFD? La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica que se encarga del estudio de los fluidos (líquidos y gases) ya sea en reposo o en movimiento. Para los fluidos en reposo, la rama especialidad es la estática de fluidos. Para los fluidos en movimiento, la rama especializada en su análisis y comprensión es la dinámica de fluidos. La Dinámica de Fluidos Computacional o CFD (del inglés Computational Fluid Dynamics) es una rama de la dinámica de fluidos. Este, es un campo del conocimiento dedicado a obtener soluciones aproximadas de las ecuaciones de flujo de fluidos mediante la implementación de computadores y algoritmos numéricos.
Ecuaciones constitutivas
Las ecuaciones que describen el comportamiento de los fluidos son las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones aún no tienen solución teórica y es por esto por lo que es necesario hacer algunas suposiciones para poder reducirlas a términos que tengan solución mediante la implementación de métodos numéricos. El método numérico más común para analizar el fenómeno de flujo de fluidos se llama Método de volúmenes finitos (en inglés FVM). Su principal ventaja es que es un método conservativo por naturaleza, lo que implica que la ley de conservación es satisfecha exactamente sobre el volumen de control elegido.
Este método requiere la solución de ecuaciones en forma de integrales en el dominio físico (discretización espacial del problema) el cual se divide en volúmenes de control finitos. Su metodología implica los siguientes pasos:
- Integración de las ecuaciones diferenciales en el volumen de control. Para esto se aplica el teorema de la divergencia (También conocido como teorema de Gauus).
- Se evalúan los términos derivados en las caras de las celdas de cada volumen de control.
- Se crea un sistema algebraico de ecuaciones para cada término
- Finalmente se resuelven las ecuaciones en cada volumen de control de forma simultánea e iterativa.
Existen 5 ecuaciones constitutivas que permiten analizar el flujo de fluidos. Dichas ecuaciones son:
- Ecuación de continuidad
- Ecuación de conservación del momentum (en las 3 componentes cartesianas X,Y, y Z)
- Ecuación de energía
Las 5 ecuaciones descritas anteriormente incluyen 13 variables. Es por esto por lo que el sistema no tiene solución. Es necesario entonces hacer suposiciones e incluir una nueva ecuación, conocida como ecuación de estado que permita reescribir algunas variables como función de otras.
Flujo de trabajo en CFD
El flujo de trabajo en CFD está compuesto por 3 etapas principales, las cuales se ejecutan en serie. Estas etapas son:
Pre-procesamiento:
Mediante un software tipo CAD se hace la construcción de la geometría que representará el dominio físico del problema a analizar. Posteriormente se hace una discretización espacial del dominio. Esta discretización consiste en dividir la geometría en volúmenes de control mediante un proceso de mallado. En esta misma etapa se establecen las condiciones de frontera (entrada, salida, fronteras rígidas). Así mismo, se establecen las ecuaciones de flujo a resolver, ya sea para el caso de flujo interno o flujo multifásico, así como también las propiedades del fluido, los modelos de turbulencia y esquemas numéricos.
Procesamiento:
Una vez se termina la etapa anterior, se establece una configuración del tipo de análisis a realiza, es decir, si es un análisis en estado permanente o transitorio. Se definen entonces el número de iteraciones, el paso de tiempo y el tiempo total de la simulación. Posteriormente se define el número de núcleos físicos a implementar para solución. Esta capacidad depende del tipo de Hardware disponible (computadores de escritorio y/o procesamiento en la nube) y el tipo de licenciamiento del software.
Post-procesamiento:
Una vez la simulación haya terminado, es necesario extraer las cantidades y campos de interés. Por ejemplo, campo de velocidad, presión, variables turbulentas, esfuerzos cortantes, fuerzas y demás. En esta etapa se analizan los resultados de forma gráfica mediante mapas de contornos, líneas de corriente, iso-superficies, así como también mediante el uso de gráficas del tipo “XvsY” o histogramas.
Aplicación del CFD
El CFD surge como una opción versátil y alterna a la experimentación e investigación clásica mediante modelos experimentales realizados en laboratorios. En el caso de flujo de fluidos sólo existen soluciones analíticas en casos limitados.
Esta nueva metodología tiene algunas ventajas como:
- Proveer información detallada de los fenómenos analizados.
- Permite hacer y evaluar diferentes escenarios de flujo y geometría y resolver preguntas del tipo “What if”.
- Tiene la capacidad de hacer test con escenarios no realizables (dispersión de contaminantes, propagación de fuego, efectos nucleares, rompimiento de presas en escala).
- Reduce el tiempo y los costos de diseño.
- Permite visualización de patrones no observables en modelos a escala.
Finalmente, la metodología CFD debe ser vista como una herramienta transversal a todas las áreas del conocimiento:
- En la investigación.
- En la educación.
- En la ingeniería aplicada: Es posible hacer uso de esta en etapas conceptuales o de diseño, así como también en rediseño y optimización.
