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Simulación de dinámica computacional de fluidos

Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) se basan en la ecuación de Navier-Stokes, utilizada para describir el movimiento de los fluidos.

¿Qué es la dinámica de fluidos computacional?

Una simulación computacional de dinámica de fluidos implica el uso de las leyes fundamentales de la mecánica, las ecuaciones que gobiernan la dinámica de fluidos y el modelado para formular un problema físico matemáticamente. Una vez formulados, los recursos informáticos utilizan métodos numéricos para resolver las ecuaciones utilizando software CFD para obtener soluciones aproximadas de las propiedades físicas involucradas.

Las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos se basan en la ecuación de Navier-Stokes, utilizada para describir el movimiento de los fluidos. La precisión de las simulaciones CFD depende de la fidelidad del modelo, de las aproximaciones y supuestos utilizados, de la validación experimental y de los recursos informáticos disponibles. Es fundamental caracterizar las incertidumbres y errores en la simulación computacional de dinámica de fluidos para utilizarla como una herramienta eficaz en el diseño y análisis.

Existen tres métodos principales para predecir el comportamiento de los fluidos y su interacción con el entorno circundante: experimental, analítico y numérico. La dinámica de fluidos computacional es el método numérico para simular el movimiento de fluidos estacionarios e inestables utilizando métodos computacionales y hardware.

La dinámica de fluidos computacional es una metodología bien establecida que se utiliza a menudo para reemplazar o complementar los métodos experimentales y analíticos para ayudar al diseño y análisis de ingeniería de productos cotidianos.

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Captura de pantalla del software de simulación de dinámica computacional de fluidos multifísica.

Descubra los beneficios

La dinámica de fluidos computacional es una metodología bien establecida que se utiliza a menudo para reemplazar o complementar los métodos experimentales y analíticos para ayudar al diseño y análisis de ingeniería de productos cotidianos. En comparación con la creación de prototipos y los experimentos, las simulaciones CFD ofrecen las siguientes ventajas.

Aumentar el rendimiento

La simulación computacional de dinámica de fluidos le permite analizar y explorar rápidamente las posibilidades de ingeniería para aumentar el rendimiento del producto.

Reduce el tiempo

La simulación CFD le ayuda a comercializar diseños de productos optimizados más rápido que un método de construcción y prueba.

Reducción de costes

Al aprovechar la dinámica de fluidos computacional, puede reducir significativamente el costo de desarrollo de su producto en comparación con los procesos tradicionales de diseño basados en prototipos.

Pasos en el proceso de simulación CFD

Independientemente del software, todas las simulaciones de dinámica de fluidos computacional siguen estos pasos generalizados.

Gráficos de mallado del software Simcenter STAR-CCM+.

Preprocessing

La etapa de preprocesamiento consiste en crear la geometría y prepararla para la simulación CFD. En un proceso llamado mallado o generación de cuadrícula, la herramienta CFD divide el dominio en pequeños volúmenes/celdas. El usuario aplica las condiciones de flujo, las propiedades del fluido y las condiciones de contorno iniciales.

El software de simulación CFD comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador CFD.

Solving

El software de simulación CFD comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador CFD. Este paso puede requerir mucho tiempo o recursos informáticos. Para simulaciones complejas, cada vez más empresas están recurriendo a la computación en la nube como una solución rentable a este problema.

La representación de las ventajas de ejecutar Simcenter STAR-CCM+ en GPU proporciona capacidades de dinámica de fluidos computacional (CFD) para ir más rápido mientras se modela la complejidad.

Postprocessing

Una vez completada la resolución, el siguiente paso es analizar y visualizar los resultados de la simulación de forma cualitativa y cuantitativa mediante informes, monitores, gráficos, imágenes 2D/3D y animaciones. En esta etapa también se incluye la verificación y validación de los resultados.

Dinámica de fluidos computacional multifísica

La dinámica de fluidos computacional moderna es algo más que la capacidad de simular y predecir el flujo de fluidos y el comportamiento de la transferencia de calor. Hoy en día, la CFD está integrada en un entorno multidisciplinario de ingeniería asistida por ordenador (CAE), lo que permite a los ingenieros modelar una amplia gama de físicas relacionadas con los fluidos, desde los flujos de reacción hasta la aeroacústica, desde los flujos multifásicos hasta la dinámica de partículas, desde la refrigeración electrónica hasta la aerodinámica y acoplarlos estrechamente a la dinámica de fluidos relacionada. Esto es de fundamental importancia en un mundo de productos cada vez más complejos que requieren una ingeniería holística entre dominios para lograr el máximo rendimiento.

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Captura de pantalla de Simcenter FLOEFD para NX

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Preguntas más frecuentes

¿Son precisas las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos?

El análisis de elementos finitos (FEA) se ha utilizado con éxito para la ingeniería de productos durante décadas. Junto con eso, se desarrollaron continuamente enfoques de modelado de alta fidelidad y otros más pragmáticos, lo que le permite obtener resultados suficientemente precisos más rápido.

Hoy en día, los ingenieros pueden y deben elegir el nivel de precisión que mejor se adapte a sus necesidades para responder a las preguntas de ingeniería con el mínimo esfuerzo computacional. El nivel de precisión va desde técnicas de modelado de alta fidelidad que permiten la predicción del comportamiento real dentro de un pequeño porcentaje o incluso menos hasta métodos rápidos que permiten predicciones rápidas de tendencias.

Hoy en día, los procesos de certificación y verificación de las herramientas de simulación FEA están bien establecidos. Seguirán siendo un ingrediente fundamental para el progreso de FEA, su fiabilidad y confianza en los gemelos digitales y su establecimiento en áreas novedosas. Si bien la simulación predictiva reducirá continuamente la necesidad de costosas mediciones y creación de prototipos, seguirá requiriendo métodos rigurosos de elementos finitos y la validación de las mejores prácticas a través de experimentos. 

¿Cuál es la diferencia entre los métodos de dinámica de fluidos computacional basados en malla y sin malla?

Las metodologías CFD sin malla ofrecen un enfoque alternativo atractivo a los métodos basados en malla para aplicaciones seleccionadas. Cuando la obtención rápida de resultados es una prioridad sobre la mayor precisión, la hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH) es una herramienta eficiente. Sin embargo, ambos métodos tienen su lugar y, dependiendo de los requisitos de tiempo de solución frente a la precisión requerida, puede ser beneficioso elegir un enfoque basado en malla o sin malla.

¿Cómo se maneja la turbulencia en la dinámica de fluidos computacional? 

La mayoría de los flujos que nos rodean y que son relevantes para el desarrollo de productos son de naturaleza turbulenta. A lo largo de décadas, la ciencia y la industria han establecido estrechas relaciones para incorporar las descripciones de la turbulencia en la ecuación de Navier-Stokes. Por ejemplo, el mallado del modelo de turbulencia más adecuado para una aplicación determinada y un proyecto CFD depende en gran medida de los requisitos de precisión frente a los requisitos de velocidad de simulación.

En general, el modelado de turbulencias se puede clasificar en tres categorías principales: modelado estadístico, también conocido como Reynolds Average Navier-Stokes (RANS), simulación de resolución de escala (SRS), como simulación de remolinos grandes (LES) o simulaciones de remolinos separados (DES) y, en última instancia, simulación numérica directa (DNS), que no hace ninguna suposición de modelado sobre la turbulencia.

¿Es difícil aprender a simular CFD?

Aprender CFD requiere tiempo, dedicación, estudio exhaustivo y práctica. Es fundamental comprender la física fundamental subyacente de la dinámica de fluidos y la ecuación de Navier-Stokes, comprender los métodos numéricos y sus limitaciones y practicar el uso práctico de la herramienta de software de dinámica de fluidos computacional real. Gracias a la automatización y la mejora continua de las interfaces de usuario en el software moderno de dinámica de fluidos computacional, las barreras para la CFD de alta fidelidad disminuirán aún más en todos los niveles, cambiando el alcance de la exploración de resultados y la toma de decisiones basadas en simulaciones.  También es fundamental comprender la dinámica de fluidos fundamental para juzgar los resultados y tomar decisiones de ingeniería significativas basadas en los resultados de CFD.

¿Cuáles son los requisitos de hardware para la simulación CFD?

La elección del hardware para un proyecto de CFD realmente depende de su proyecto, presupuesto y prioridades actuales. Algunas recomendaciones: las CPU x86 han ejecutado simulaciones durante años. Todos los solucionadores se desarrollaron y verificaron inicialmente para esta plataforma. Busque hardware CFD con la máxima caché: servidores, estaciones de trabajo y portátiles. Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) son compatibles con muchos solucionadores hoy en día, y el software se adaptará aún más a esto. Esta solución es muy eficiente desde el punto de vista energético. Preste mucha atención a que los solucionadores necesarios sean compatibles y cumplan con los requisitos de memoria de su caso de uso. Esto le permite sacar el máximo partido a las estaciones de trabajo y clústeres de GPU con varias GPU. Los procesadores ARM son compatibles con todo menos con la interfaz gráfica de usuario. Este es un enfoque para la computación rentable, especialmente en los servicios en la nube. Siempre que su herramienta de simulación de dinámica de fluidos computacional sea compatible con la tecnología ARM. Por lo general, la simulación CFD basada en la nube es una solución sencilla. Sin inversión en costoso hardware informático, sin coste de inactividad y escalable bajo demanda.

¿Cuáles son las aplicaciones de la dinámica de fluidos computacional?

El software de simulación de dinámica de fluidos computacional se utiliza en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería siempre que sea necesario comprender o predecir el flujo de fluidos y la transferencia de calor y el efecto resultante en el diseño de un producto o sistema. En el diseño de productos industriales, la simulación computacional de dinámica de fluidos ha progresado hasta la simulación del comportamiento multifísico en geometrías complejas, lo que permite a las empresas comprender y optimizar completamente el diseño de sus productos virtualmente antes de construir un prototipo.

Las industrias en las que la simulación de dinámica de fluidos computacional se utiliza ampliamente incluyen:

  • Sector aeroespacial
  • Automoción
  • Químico
  • Las empresas de productos de consumo
  • Marino (diseño de buques, sistemas de propulsión y diseño de motores)
  • Electrónica
  • Energía (nuclear, petróleo y gas y generación de energía)
  • Servicios de construcción
  • Ciencias biológicas
  • Turbomaquinaria
  • Deportivo
  • Otras aplicaciones generales que involucran el flujo de fluidos y la transferencia de calor

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Webinar bajo demanda | Redefiniendo el arte de lo posible en la simulación computacional de dinámica de fluidos.

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Podcast | El pasado, presente y futuro de la dinámica de fluidos computacional con el Dr. Simon Fischer.

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