13 Aplicaciones esenciales de CFD: Elevando rendimiento en aeroespacial, HVAC y electrónica

Las simulaciones CFD usan modelos de turbulencia para predecir el efecto de la turbulencia en un diseño ingenieril CAD.

Uno de los modelos más comunes para simular turbulencia es Generalized k-omega (GEKO) en ANSYS. GEKO ayuda a adaptar modelos de turbulencia a una amplia variedad de aplicaciones permitiendo a usuarios ajustar parámetros individuales de la simulación manteniendo la calibración del modelo.

4. Aplicaciones de CFD en Calefacción, Aire Acondicionado y Ventilación (HVAC)

A pesar de ser un elemento cotidiano pasado por alto, los sistemas HVAC que bombean y acondicionan aire en hogares y oficinas requieren ingeniería y planificación intensivas.

Para acondicionar el aire de un espacio efectivamente, mantener el aire fluyendo por una habitación y asegurar alta calidad de aire interior (IAQ), los productos HVAC deben aprovechar la física de la dinámica de fluidos.

Crear difusores HVAC, unidades de manejo de aire y UTAs típicamente requiere pruebas rigurosas para asegurar que circulan y acondicionan aire efectivamente y cumplen estándares IAQ.

Como tal, muchos fabricantes de equipamiento HVAC han recurrido a simulación CFD para acelerar prototipado y validación de nuevos diseños. La simulación CFD permite a ingenieros analizar el rendimiento potencial de sus productos en distintos espacios y configuraciones.

5. Simulación de baterías con CFD

A simple vista, el proceso de diseño de baterías parece tener poco en común con diseño aeroespacial y HVAC —donde el flujo de aire juega papel vital (y obvio) en la función central del producto.

Pero el diseño de baterías es un proceso multidisciplinario que requiere varias prácticas de ingeniería —incluyendo química, eléctrica, térmica e ingeniería de fluidos. Y como tal, la simulación CFD puede jugar papel importante en optimizar rendimiento y seguridad de baterías (mientras usa menos tiempo y recursos en pruebas físicas).

Software CFD como Simulia puede ayudar a fabricantes de baterías a visualizar en 3D y resolver problemas asociados a descarga rápida, calentamiento ambiental excesivo y sobrecarga —que no solo afectan vida de batería, sino también seguridad del consumidor.

6. Simulación de aerodinámica con CFD

La aerodinámica es el estudio de cómo fluye el aire alrededor de objetos (como aeronaves o automóviles).

Es quizás la aplicación más conocida de CFD —pues diseñadores de automóviles, ingenieros aeroespaciales y fabricantes de equipamiento deportivo usan software de simulación para reducir arrastre y fricción del aire mientras mejoran eficiencia de sus productos.

Más allá de poder diseñar productos aerodinámicos sin invertir en muchos prototipos físicos, la simulación permite a ingenieros testar cambios muy pequeños en su diseño para maximizar rendimiento —docenas o cientos de veces antes de ir a producción.

7. Simulación de transferencia de calor y gestión térmica en CFD

La transferencia de calor y gestión térmica es la disciplina de medir cómo el calor se mueve a través de diseños sólido-fluido (p. ej., tuberías que transfieren líquido caliente) —y cómo optimizar diseños usando principios de conducción, convección o radiación.

La gestión térmica es vital para asegurar integridad estructural y seguridad de cualquier diseño que requiera calor o frío moderados. También puede usarse para optimizar rendimiento y eficiencia de diseños que usan calor o combustión para energía.

La mayoría de paquetes CAD profesionales (como SolidWorks) tienen soporte nativo para simular modelos de transferencia de calor.

La simulación CFD se usa para optimizar transferencia de calor en todo, desde diseños de motores de automóvil a cafeteras. También es vital para multitud de otros tipos de simulación en esta lista (como HVAC) —donde la transferencia de calor es componente integral de la función central del producto.

8. Simulación de tuberías y válvulas con CFD

El flujo de fluido puede ejercer presión inmensa sobre tuberías y válvulas —y puede llevar a deformación y fallo crítico si no se tiene en cuenta adecuadamente.

Como tal, refinerías de petróleo, gasoductos de gas natural y fontanería residencial deben optimizarse para flujo de fluido para lograr seguridad y prevenir daño a largo plazo en equipamiento costoso.

Antes del auge de simulación CFD, este tipo de optimización requería prueba y error. Sistemas de tuberías se construían con estimaciones al azar, y se refinaban o revisaban tras fallo.

Con simulación CFD, ingenieros pueden modelar el rendimiento de un sistema completo de tuberías o aislar un componente individual (como una válvula) para disminuir probabilidad de fallo. La simulación CFD también podría usarse para investigar fallos de infraestructura envejecida a posteriori, dando a ingenieros imagen más precisa de lo ocurrido.

9. Simulación de refrigeración de electrónica con CFD

Toda electrónica en uso hoy requiere alguna forma de gestión de calor (ya sean disipadores, ventiladores, ventiladores, componentes térmicos, o combinación). Esto es porque chips como GPUs y CPUs empiezan a fallar al sobrecalentarse. Estos componentes deben mantenerse relativamente fríos para mantener rendimiento (usualmente bajo 85 °C).

Sin simulación o pruebas extensas, fabricantes de electrónica lanzarían frecuentemente productos al mercado (teléfonos, juguetes, chips, etc.) que fallaban por sobrecalentamiento.

La simulación CFD puede usarse para testar y organizar la colocación más ideal de componentes (disipador, ventilador, etc.) para asegurar que chips sensibles no se sobrecalienten.

10. Simulación CFD de turbomaquinaria

La turbomaquinaria es un concepto de ingeniería mecánica que describe máquinas que transmiten energía de un rotor a un fluido (como compresor o turbina).

Los motores a reacción de aeronaves son ejemplo común de turbomaquinaria, pues son turbinas de gas que producen empuje desde gases de escape.

El software CFD se usa extensivamente en diseño y optimización de turbomaquinaria, desde preprocesamiento, modelado, mallado, hasta postprocesamiento.

11. Simulación CFD de materiales de alta reología

Los materiales de alta reología son sólidos que pueden comportarse como líquidos cuando se les aplican fuerzas y tensiones. Ejemplos incluyen:

• Plásticos
• Polímeros
• Vidrio
• Metales
• Cemento

Usando técnicas como moldeo por soplado, termoformado y extrusión, los fabricantes pueden moldear estos sólidos en producto final.

Mediante aplicación de simulación CFD, fabricantes pueden acelerar procesos de diseño de materiales reológicos mientras minimizan demandas de energía y materia prima. Pueden identificar ahorros de coste cambiando forma de matrices de manufactura, reduciendo material excedente, y prototipando rápido diseños reológicos.

12. Simulación de flujos reactivos y combustión con CFD

Fluidos que fluyen y son químicamente reactivos (en caso de motor de combustión, por ejemplo), se denominan "flujos reactivos" en simulación.

Estos tipos de flujo representan un problema de física difícil para ingenieros.

Predecir el comportamiento de fluido reactivo a escala de banco de química (milímetros) es una cosa —pero hacerlo a escala de solución (litros cúbicos) teniendo en cuenta turbulencia es inmensamente difícil.

Y sin embargo, es un problema importante.

Poder entender la química y física subyacente de flujos reactivos es pivotal para aumentar eficiencia energética, flexibilidad de combustible y reducción de emisiones en sectores automotriz, aeroespacial y energético.

Este es un área donde la simulación CFD destaca. Puede manejar problemas complejos multi-físicos como flujos reactivos —dando a fabricantes insights sobre sus productos que serían casi imposibles de calcular manualmente— sin requerir pruebas físicas costosas.

13. Flujo incompresible y compresible con simulación CFD

Flujo compresible se refiere a flujo de fluido donde la densidad no es constante.

En otras palabras, un fluido como oxígeno, cuya densidad puede comprimirse o descomprimirse con cambios de presión —tiene flujo compresible.

Flujo incompresible se refiere a fluido cuyos cambios de densidad son despreciables, independientemente de la presión.

El agua fluyendo por una tubería tiene flujo incompresible, porque la presión tiene impacto infinitesimal en su densidad.

Ambos tipos de flujo presentan retos únicos para fabricantes e ingenieros. Ingenieros trabajando en aerodinámica, por ejemplo, deben tener en cuenta la compresibilidad del oxígeno (con objetos a distintas velocidades) en su análisis. Por el contrario, industrias que trabajan con fluidos incompresibles deben tener en cuenta flujos turbulentos violentos, potentes y caóticos en sus cálculos.

Y en caso de aeroespacial —donde ambos tipos de cálculo pueden necesitar combinarse en un solo análisis— las pruebas y planificación pueden volverse increíblemente complejas.

Por esto la simulación CFD es una necesidad absoluta para muchos fabricantes modernos. Software como SimScale permite a ingenieros analizar flujos incompresibles y compresibles en una simulación asignando propiedades únicas a distintos fluidos.

Reflexiones finales

Antes de la simulación, muchos problemas prácticos de física del mundo se resolvían con pruebas físicas costosas (y lentas). Empresas cuyos productos omitían pruebas rigurosas pagaban considerablemente más con fallos de producto, retiradas (y daño reputacional) a largo plazo.

Pero con la llegada del modelado por simulación, ingenieros y diseñadores de todas las industrias han ganado acceso a forma barata de testar sus productos en virtualmente cualquier condición.

La dinámica de fluidos computacional en particular permite a ingenieros testar y mejorar diseños de productos donde flujo de fluido, turbulencia y transferencia de calor son cálculos vitales.

Pero testar es solo parte de la ecuación.

Poder actualizar diseños CAD rápido y eficientemente para corregir problemas señalados por análisis CFD sigue siendo problema para diseñadores —pues a menudo requiere mucho retrabajo manual.

Para permitir adopción a gran escala de simulación en industrias, las aplicaciones de simulación deben volverse más fáciles de usar.

Si eres diseñador o ingeniero trabajando con CAD y simulación, conoces íntimamente la cantidad de trabajo requerida para rediseñar productos basados en salidas de CFD. La mayoría de software CFD no actualizará tu modelo CAD. En su lugar, te dan un "campo vectorial" para mostrar la deformación requerida para optimizar tu modelo. Es entonces responsabilidad del diseñador alterar manualmente el diseño.

Este proceso de rediseño manual puede automatizarse usando el toolkit de morfología BRep de Spatial. Dado un campo de deformación vectorial (un conjunto de puntos antes y después), este toolkit te permite morfar cualquier geometría BRep automáticamente. Así, ingenieros pueden incorporar resultados de simulación de vuelta a su diseño, fácilmente.