Dinámica de Fluidos Computacional – CFD | Modelado, Análisis y Optimización

Dinámica de Fluidos Computacional (CFD): técnicas para modelar, analizar y optimizar el comportamiento de fluidos mediante simulaciones computacionales avanzadas.

Dinámica de Fluidos Computacional – CFD | Modelado, Análisis y Optimización

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) es una rama de la física y la ingeniería que utiliza métodos numéricos y algoritmos para analizar y resolver problemas que involucran fluidos en movimiento. Esta disciplina es fundamental para diversas áreas, como la ingeniería aeroespacial, la ingeniería mecánica, la ingeniería civil y la ingeniería biomédica. A través de CFD, es posible simular el comportamiento de fluidos en diferentes escenarios, permitiendo el modelado, análisis y optimización de sistemas basados en fluidos.

Fundamentos de la CFD

La CFD se basa en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes, que describen el movimiento de los fluidos. Estas ecuaciones son fundamentales en la mecánica de fluidos y se expresan de la siguiente manera:

• Ecuación de Continuidad: $\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0$
• Ecuaciones de Navier-Stokes: $\frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = -\frac{1}{\rho} \nabla p + \nu \nabla^2 \mathbf{u} + \mathbf{f}$

Donde:

• $\rho$ es la densidad del fluido.
• t es el tiempo.
• $\mathbf{u}$ es el vector de velocidad del fluido.
• p es la presión.
• $\nu$ es la viscosidad cinemática del fluido.
• $\mathbf{f}$ representa las fuerzas externas aplicadas.

Estas ecuaciones no tienen una solución general analítica debido a su complejidad no lineal, por lo que es necesario utilizar métodos numéricos para su resolución.

Métodos Numéricos en CFD

En CFD, se utilizan diferentes métodos numéricos para descomponer el dominio del problema en una malla o un conjunto de celdas discretas. Los métodos más comunes son:

1. Método de Volúmenes Finitos (FVM): Este método descompone el dominio en volúmenes finitos y se integra la ecuación de conservación en estos volúmenes. Es ampliamente utilizado debido a su robustez y adaptabilidad a geometrías complejas.
2. Método de Elementos Finitos (FEM): En este método, el dominio es dividido en elementos finitos y se aplican funciones de forma para aproximar las variables del sistema. Es muy versátil y se utiliza en muchos campos de la ingeniería.
3. Método de Diferencias Finitas (FDM): Se basa en la aproximación de las derivadas mediante diferencias finitas en una malla regular. Es sencillo de implementar, aunque puede ser menos flexible en geometrías complejas comparado con FVM y FEM.

Modelado en CFD

El proceso de modelado en CFD involucra varios pasos cruciales, que incluyen la definición del dominio del problema, la creación de la malla, la especificación de las condiciones de contorno y las condiciones iniciales, y la selección del modelo turbulento adecuado. Una correcta configuración de estos parámetros es vital para obtener resultados precisos y confiables.

1. Definición del Dominio: Implica especificar las dimensiones y geometría del área a estudiar. Esto puede variar desde simples tubos y conductos hasta complejas estructuras tridimensionales.

2. Creación de la Malla: La malla es una representación discreta del dominio del problema, donde se calcularán las ecuaciones de Navier-Stokes. La calidad de la malla influye significativamente en la precisión de los resultados. Existen diferentes tipos de mallas, tales como mallas estructuradas y no estructuradas, cada una con sus ventajas y desventajas.

3. Condiciones de Contorno: Son las condiciones impuestas en los límites del dominio, como velocidades de entrada y salida, presión, temperaturas, etc. Estas condiciones deben reflejar adecuadamente el problema físico que se está modelando.

4. Condiciones Iniciales: Estas condiciones describen el estado del fluido al comienzo de la simulación. Es fundamental para problemas transitorios o que dependen del tiempo.

5. Modelos de Turbulencia: La turbulencia es un fenómeno complejo y caótico que ocurre en muchos flujos fluidos. Existen varios modelos para abordar la turbulencia en CFD, entre ellos:

• Modelo k-ε: Basado en dos ecuaciones que describen la energía cinética de la turbulencia (k) y su tasa de disipación (ε).
• Modelo k-ω (k-omega): Utiliza la energía cinética de la turbulencia (k) y la tasa específica de disipación (ω).
• Simulación de Grandes Escalas (LES): Filtra las grandes escalas de la turbulencia y modela las pequeñas escalas.
• Simulación Directa de Turbulencia (DNS): Resuelve todas las escalas de la turbulencia, pero requiere una enorme capacidad computacional.

Análisis y Optimización en CFD

Una vez realizadas las simulaciones, el paso siguiente es analizar los resultados obtenidos. El análisis en CFD implica la revisión de campos de velocidad, presión, temperatura, entre otros. Estas revisiones ayudan a detectar posibles fallas en el diseño y permiten realizar ajustes para mejorar el rendimiento de los sistemas fluidos.

La optimización en CFD busca mejorar criterios específicos del diseño, como reducir pérdidas de presión, mejorar la distribución del flujo o maximizar la transferencia de calor. Técnicas comunes de optimización incluyen:

• Optimización de Forma: Modificar la geometría para alcanzar un rendimiento óptimo del fluido.
• Análisis Paramétrico: Variar parámetros del sistema para estudiar su influencia en el rendimiento.
• Optimización Topológica: Rediseñar la topología del dominio para mejorar la eficiencia global.