Dinámica de Fluidos Computacional (CFD): Aplicaciones e Impacto en la Industria

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

Desde diseñar formas eficientes de mantener un SoC (System on a Chip) lo suficientemente frío para funcionar correctamente, hasta ayudar a coches de carreras a arañar segundos a sus tiempos, la dinámica de fluidos computacional sigue siendo una poderosa herramienta de simulación y optimización.

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

¿Qué es la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)?

La CFD es una herramienta de simulación y modelado numérico basada en principios de dinámica de fluidos. Aprovecha métodos numéricos y algoritmos para resolver problemas que involucran el flujo de fluidos.

Es importante considerar que los fluidos no se limitan a líquidos. También incluyen gases como el aire. La CFD puede simular flujo de fluidos, reacciones químicas, cambios de fase, transferencia de calor y masa, y líquidos, gases y sólidos mientras fluyen a través de un sistema.

Cómo Funciona la CFD: Lo Básico

Las ecuaciones gobernantes principales 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 velocidad, presión y temperatura absoluta, junto con densidad, conductividad térmica, entalpía y viscosidad.

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

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

Resultados del Modelado CFD

Los resultados del modelado CFD pueden post-procesarse para proporcionar visualizaciones informativas que pueden incluir líneas de corriente representando la velocidad (rapidez y dirección) del flujo, mapas mostrando distribuciones de temperatura, y trazado de partículas que muestra el movimiento de una partícula de fluido (por nombrar algunos).

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

¿Cuál es el Modelo CFD Más Utilizado?

El modelo más usado en CFD es FVM, que significa Finite Volume Model (Modelo de Volumen Finito). Estrictamente, es un método de discretización donde el volumen de fluido se divide en volúmenes de control finitos. Estos volúmenes de control individuales están centrados alrededor de un nodo ubicado en el centroide del volumen.

La forma diferencial de las ecuaciones gobernantes del modelo se integra, y la variable de interés entre centroides se obtiene usando perfiles de interpolación. La ecuación resultante, conocida como ecuación de discretización, expresa el principio de conservación para la variable dentro del volumen de control.

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

Figura 3. La CFD tiene amplia aplicación en gestión térmica de electrónicos, como en este ejemplo de chasis modular para aplicaciones críticas. Imagen cortesía de ANSYS.

Otros métodos que también pueden usarse con CFD incluyen el Método de Elementos Finitos (FEM), típicamente asociado a mecánica de sólidos, y Análisis de Elementos Finitos (FEA).

También está el FDM o Método de Diferencias Finitas; este método no se usa tanto para CFD como FVM y FEM, pero tiene amplia aplicación en cálculos meteorológicos, sismología y efectos especiales para cine y televisión.

¿Para Qué se Usa la Dinámica de Fluidos Computacional?

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

Generalmente, la CFD puede usarse para:

• Simulación de baterías
• Refrigeración de motores eléctricos
• Reología
• Eficiencia energética
• Gestión térmica
• Interacción fluido-estructura
• Optimización de forma
• Modelado de turbulencia
• HVAC
• Optimización de álabes de turbina
• Diseño aeroespacial / aeronáutico
• Diseño automotriz

Más específicamente, la CFD se está usando para:

• Optimización de gestión térmica efectiva para SoCs
• Desarrollo de locomoción para robots submarinos bio-inspirados
• Diseño de manipuladores de robots blandos
• Ingeniería de motores eléctricos refrigerados por agua
• Estudio de ensuciamiento de superficies de transferencia de calor por petróleo crudo
• Gestión térmica de chasis modular robusto para electrónica de comunicaciones militares
• Optimización de rendimiento de coches de carreras

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

Figura 4. La CFD puede optimizar la eficiencia energética de centros de datos, proporcionando información sobre características clave como el flujo de aire de refrigeración necesario para mantener temperaturas controladas. Imagen cortesía de Autodesk.

Software de Dinámica de Fluidos Computacional

Hay una amplia variedad de paquetes de software CFD en el mercado. Por ejemplo, ANSYS Fluent y CFX son dos paquetes conocidos. También están 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 y de código abierto que funciona en Linux, macOS y Windows 10. Además, hay sistemas CFD basados en navegador como SimScale, que está basado en OpenFOAM. También hay potentes herramientas de post-procesado como Ceetron Desktop Components que dan vida a los datos de solución CFD.

Cuando se ejecuta correctamente, puede revelar el comportamiento de fluidos y cómo interactúan con sólidos, calor, cambios de fase y reacciones químicas. La CFD se usa en muchas industrias, ayudando a optimizar diseños y ahorrar tiempo y dinero en prototipado y pruebas físicas. Desde boquillas de combustible en motores a reacción y carrocerías de coches de carreras hasta robótica blanda y sistemas de refrigeración por aire de centros de datos, la CFD ha demostrado ser invaluable una y otra vez durante el proceso de ingeniería.