Comprensión de la dinámica de fluidos computacional (CFD)

La dinámica de fluidos computacional (a menudo abreviada CFD) se utiliza en varias industrias y aplicaciones.

Desde diseñar formas eficientes de mantener un SoC (System on a Chip) lo suficientemente frío para funcionar correctamente hasta ayudar a los autos de carrera a reducir unos segundos más de su tiempo, la dinámica de fluidos computacional sigue siendo una herramienta poderosa para la simulación y la optimización.

Figura 1. El CFD se asocia a menudo con el diseño aeroespacial y automotriz, pero se aplica a varias industrias, incluidos motores eléctricos, robótica, baterías y gestión térmica. Imagen utilizada por cortesía de Siemens

¿Qué es la dinámica de fluidos computacional (CFD)?

CFD es una herramienta de simulación y modelado numérica basada en principios de dinámica de fluidos. Aprovecha métodos numéricos y algoritmos para resolver problemas relacionados con el flujo de fluidos.

Como parte de esta explicación, es importante considerar que los fluidos no se limitan a los líquidos. Los fluidos también incluyen gases como el aire. CFD puede simular el flujo de fluidos, reacciones químicas, cambios de fase, transferencia de calor y masa, y líquidos, gases y sólidos a medida que fluyen a través de un sistema.

Cómo funciona la dinámica de fluidos computacional (CFD):conceptos básicos

Las ecuaciones de gobierno primarias involucradas son la ecuación de continuidad (conservación de la masa), la Segunda Ley de Newton (conservación del momento) y la Primera Ley de la Termodinámica (conservación de la energía). Las variables clave son la velocidad, la presión y la temperatura absoluta, junto con la densidad, la conductividad térmica, la entalpía y la viscosidad.

Figura 2. La simulación de flujo ilustra el flujo de partículas de fluido a través de un sistema a medida que interactúan con sólidos, otros líquidos y calor. Imagen utilizada por cortesía de Autodesk

La simulación CFD tiene como objetivo comprender la velocidad, la presión y la temperatura en cada punto dentro del régimen de flujo.

Resultados del modelado de CFD

Los resultados del modelado CFD se pueden posprocesar para proporcionar visualizaciones informativas que pueden incluir líneas de flujo que representan la velocidad (velocidad y dirección) del flujo de fluido, mapas que muestran distribuciones de temperatura y rastreo de partículas que muestra el movimiento de una sola partícula de fluido (por nombrar algunos ).

Con el aumento continuo de la potencia informática y las capacidades gráficas, las visualizaciones se pueden manipular en 3D y generar imágenes, videos y animaciones convincentes para ayudar a los usuarios a interpretar los datos y compartirlos con audiencias no técnicas.

¿Cuál es el modelo de dinámica de fluidos computacional más utilizado?

El modelo más utilizado en CFD es FVM, que significa Modelo de volumen finito. Estrictamente hablando, es un método de discretización donde el volumen de fluido se divide en volúmenes de control finitos. Estos volúmenes de control individuales se centran alrededor de un nodo ubicado en el centroide del volumen.

Se integra la forma diferencial de las ecuaciones que gobiernan el modelo y la variable de interés entre los centroides se obtiene utilizando perfiles de interpolación. La ecuación resultante, conocida como discretización o ecuación discretizada , luego expresa el principio de conservación para la variable dentro del volumen de control.

FVM es bastante popular debido a su versatilidad y porque la solución satisfará la conservación de cantidades como energía, especies, momento o masa. La conservación se satisface exactamente tanto para los volúmenes de control individuales como para todo el dominio computacional.

Figura 3. CFD encuentra una amplia aplicación en la gestión térmica de la electrónica, como en este ejemplo de un chasis modular utilizado para aplicaciones de misión crítica. Imagen utilizada por cortesía de ANSYS

Otros métodos que también se pueden utilizar con CFD incluyen el método de elementos finitos (FEM), normalmente asociado con la mecánica de sólidos, y el análisis de elementos finitos (FEA).

También existe el FDM o Método de Diferencia Finita; este método en particular no se usa tanto para CFD como FVM y FEM, pero encuentra una amplia aplicación en cálculos meteorológicos, sismología y efectos especiales para películas y televisión.

¿Para qué se utiliza la dinámica de fluidos computacional?

En un sentido general, CFD optimiza, analiza y verifica diseños que involucran flujo de fluidos antes de que se fabriquen prototipos costosos. Se realizan pruebas físicas costosas en esos prototipos.

Generalmente, CFD se puede utilizar para:

• Simulación de batería
• Refrigeración del motor eléctrico
• Reología
• Eficiencia energética
• Gestión térmica
• Interacción fluido-estructura
• Optimización de formas
• Modelado de turbulencias
• HVAC
• Optimización de la pala de la turbina
• Diseño de aeronaves / aeroespacial
• Diseño automotriz

Más específicamente, CFD se está utilizando para:

• Optimización de la gestión térmica eficaz para SoCs
• Desarrollar la locomoción para robots submarinos de inspiración biológica
• Diseño de manipuladores de robots blandos
• Ingeniería de motores eléctricos refrigerados por agua
• Estudio de las superficies de transferencia de calor que ensucian el petróleo crudo
• Gestión térmica de un chasis modular reforzado para electrónica de comunicación militar
• Optimización del rendimiento de los autos de carrera

Además, CFD se puede utilizar con FEA para capturar interacciones complejas entre fluidos, termodinámica, calor, electricidad, magnetismo y análisis estructural.

Figura 4. CFD puede optimizar la eficiencia energética del centro de datos, proporcionando información sobre características clave como el flujo de aire de refrigeración necesario para mantener las temperaturas bajo control. Imagen utilizada por cortesía de Autodesk

Software de dinámica de fluidos computacional

Existe una amplia variedad de paquetes de software CFD en el mercado. Por ejemplo, ANSYS Fluent y CFX son dos paquetes de software CFD bien conocidos. También hay PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM +, Flotherm y Autodesk CFD.

Sin embargo, no todos los paquetes CFD son comerciales:OpenFOAM es un paquete CFD gratuito de código abierto que se ejecuta en Linux, macOS y Windows 10. Además, existen sistemas CFD basados ​​en navegador como SimScale, que se basa en OpenFOAM. También existen potentes herramientas de posprocesamiento, como Ceetron Desktop Components, que dan vida a los datos de la solución CFD.

Cuando se ejecuta correctamente, puede revelar el comportamiento de los fluidos y cómo interactúan con los sólidos, el calor, los cambios de fase y las reacciones químicas. CFD se utiliza en muchas industrias diferentes, lo que ayuda a optimizar los diseños y ahorra tiempo y dinero para la creación de prototipos y las pruebas físicas. Desde boquillas de combustible en motores a reacción y carrocerías de autos de carrera hasta robótica suave y sistemas de enfriamiento de aire de centros de datos, CFD ha demostrado ser invaluable una y otra vez durante el proceso de ingeniería.