13 aplicaciones clave de simulación y modelado CFD

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una ciencia que utiliza estructuras de datos para resolver problemas de flujo de fluidos, como la velocidad, la densidad y las composiciones químicas.

Esta tecnología se utiliza en áreas como la prevención de la cavitación, la ingeniería aeroespacial, la ingeniería HVAC, la fabricación de productos electrónicos y mucho más.

A continuación se incluye una lista de las aplicaciones de simulación de CFD más comunes que se utilizan en la actualidad.

1. Simulación CFD para prevenir la cavitación

La cavitación es la formación de burbujas de vapor dentro de un líquido y ocurre cuando un objeto (como una hélice) se mueve a través del líquido. La cavitación puede dañar las hélices, las toberas, las turbinas, los vertederos y las válvulas.

La cavitación es un problema crítico de dinámica de fluidos que afecta a una amplia gama de dominios de ingeniería.

¿El mayor problema?

Es muy difícil detectar el daño causado por la cavitación en un componente durante la prueba de estrés físico, porque el daño es gradual y no muestra efectos obvios hasta que alcanza un umbral crítico.

Por ejemplo, una forma de medir el daño por cavitación en una hélice es usar instrumentos para medir las vibraciones y el ruido. Pero la mayoría de los instrumentos no son lo suficientemente sensibles para medir con precisión este tipo de daño.

Sin embargo, la simulación de cavitación a través de CFD puede ayudar a los ingenieros a establecer pequeños umbrales que serían difíciles de medir en el mundo físico. Pueden medir a un nivel muy granular para comparar productos y diseños alternativos para mejorar la flexibilidad, la durabilidad y la seguridad de sus proyectos.

2. Simulación de maquinaria rotativa mediante CFD

Las máquinas rotativas como compresores, bombas de vapor, turbinas de gas y turboexpansores tienen una cosa en común:la carga cíclica que actúa sobre la estructura.

Los sellos de laberinto se utilizan en varios tipos de maquinaria giratoria para reducir el flujo de fuga. El gas que pasa a través de los sellos a menudo crea una fuerza impulsora que conduce a una vibración inestable del rotor.

Lo esencial aquí es poder determinar la fuerza dinámica del rotor que crea inestabilidad.

Una vez más, en lugar de invertir en prototipos constantes y pruebas de estrés físico, la simulación CFD se puede utilizar para probar una variedad de variables de diseño para encontrar la construcción más ideal de maquinaria rotativa.

3. Simulación CFD para flujo laminar y turbulento

La turbulencia es el movimiento repentino y violento de aire, agua u otros líquidos. Es uno de los fenómenos meteorológicos más desastrosos e impredecibles a los que se enfrentan los pilotos. De hecho, las turbulencias extremas pueden imposibilitar que los pilotos de líneas aéreas controlen sus aviones e incluso pueden causar lesiones graves a los pasajeros.

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

Uno de los modelos más comunes para simular turbulencia es el k-omega generalizado (GEKO) en ANSYS. GEKO ayuda a adaptar los modelos de turbulencia a una amplia variedad de aplicaciones al permitir que los usuarios ajusten los parámetros individuales de la simulación mientras mantienen la calibración del modelo

4. Aplicaciones de simulación CFD de calefacción, aire acondicionado y ventilación (HVAC)

A pesar de ser un elemento que se pasa por alto en nuestra vida cotidiana, los sistemas HVAC que bombean y acondicionan el aire en nuestros hogares y oficinas requieren una ingeniería y una planificación intensivas.

Para acondicionar el aire de un espacio de manera efectiva, mantener el flujo de aire a través de una habitación y garantizar una alta calidad del aire interior (IAQ), los productos HVAC deben aprovechar la física de la dinámica de fluidos.

La creación de difusores HVAC, unidades de tratamiento de aire y FTU generalmente requiere pruebas rigurosas para garantizar que puedan circular y acondicionar el aire de manera efectiva y cumplir con los estándares IAQ.

Como tal, muchos fabricantes de equipos HVAC han recurrido a la simulación CFD para acelerar la creación de prototipos y la validación de nuevos diseños. La simulación CFD permite a los ingenieros analizar el rendimiento potencial de sus productos en diferentes espacios y en diferentes configuraciones.

5. Simulación de batería con CFD

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

Pero el diseño de baterías es un proceso multidisciplinario que requiere varias prácticas de ingeniería, incluida la ingeniería química, eléctrica, térmica y fluídica. Y como tal, la simulación CFD puede desempeñar un papel importante en la optimización del rendimiento y la seguridad de las baterías (mientras se utiliza menos tiempo y recursos en las pruebas físicas).

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

6. Simulación de aerodinámica con CFD

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

Es quizás la aplicación más conocida de CFD, ya que los diseñadores de automóviles, los ingenieros aeroespaciales y los fabricantes de equipos deportivos utilizan software de simulación para reducir el arrastre y la fricción del aire al tiempo que mejoran la eficiencia de sus productos.

Más allá de poder diseñar productos aerodinámicos sin invertir en muchos prototipos físicos, la simulación hace posible que los ingenieros prueben cambios muy pequeños en su diseño para maximizar el rendimiento, docenas o cientos de veces antes de pasar a producción.

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

La transferencia de calor y la gestión térmica es la disciplina de medir cómo se mueve el calor a través de diseños de fluido sólido (por ejemplo, tuberías que transfieren líquido caliente) y cómo optimizar los diseños utilizando los principios de conducción de calor, convección o radiación.

La gestión térmica es vital para garantizar la integridad estructural y la seguridad de cualquier diseño que requiera calor o frío moderados. También se puede utilizar para optimizar el rendimiento y la eficiencia de los diseños que utilizan calor o combustión como fuente de energía.

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

La simulación CFD se utiliza para optimizar la transferencia de calor en todo, desde diseños de motores de automóviles hasta diseños de máquinas de café. También es vital para una miríada de otros tipos de simulación mencionados en esta lista (como HVAC), donde la transferencia de calor es un componente integral de la función central de un producto.

8. Simulación de tuberías y válvulas con CFD

El flujo de fluidos puede ejercer una presión inmensa sobre las tuberías y las válvulas, y puede provocar deformaciones y fallas críticas si no se tiene en cuenta adecuadamente.

Como tal, las refinerías de petróleo, las tuberías de gas natural y las tuberías residenciales deben optimizarse para el flujo de fluidos para lograr la seguridad y evitar daños a largo plazo en equipos costosos.

Antes del surgimiento de la simulación CFD, este tipo de optimización requería prueba y error. Los sistemas de tuberías se construyeron con estimaciones aproximadas y se refinaron o revisaron después de fallar.

Con la simulación CFD, los ingenieros pueden modelar el rendimiento de un sistema completo de tuberías o aislar un solo componente (como una válvula) para disminuir la probabilidad de falla. La simulación CFD también podría usarse para investigar fallas en infraestructuras obsoletas después de los hechos, brindando a los ingenieros una imagen más precisa de lo que sucedió.

9. Simulación de refrigeración electrónica con CFD

Todos los dispositivos electrónicos en uso hoy en día requieren algún tipo de gestión del calor (ya sean disipadores de calor, rejillas de ventilación, ventiladores, componentes térmicos o una combinación). Esto se debe a que los chips como las GPU y las CPU comienzan a funcionar mal a medida que se sobrecalientan. Estos componentes deben mantenerse relativamente fríos para mantener el rendimiento (normalmente por debajo de los 85 °C).

Sin simulaciones o pruebas exhaustivas, los fabricantes de productos electrónicos lanzarían con frecuencia productos al mercado (como teléfonos, juguetes, chips de computadora, etc.) que fallaron debido al sobrecalentamiento.

La simulación CFD se puede utilizar para probar y organizar la ubicación más ideal de los componentes (disipador de calor, ventilador, etc.) para garantizar que los chips sensibles no se sobrecalienten.

10. Simulación CFD de turbomaquinaria

Turbomaquinaria es un concepto de ingeniería mecánica que describe máquinas que imparten energía desde un rotor a un fluido (como un compresor o una turbina).

Los motores a reacción de los aviones son un ejemplo común de turbomaquinaria, ya que son turbinas de gas que producen empuje a partir de los gases de escape.

El software CFD se utiliza ampliamente en el diseño y la optimización de turbomaquinaria, desde el preprocesamiento, el modelado y el mallado hasta el posprocesamiento.

11. Simulación CFD de material de alta reología

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

• Plásticos
• Polímeros
• Vidrio
• Metales
• Cemento

Mediante el uso de técnicas como el moldeo por soplado, el termoformado y la extrusión, los fabricantes pueden dar forma a estos sólidos en un producto final.

A través de la aplicación de simulación CFD, los fabricantes pueden acelerar sus procesos de diseño de materiales reológicos mientras minimizan las demandas de energía y materia prima. Pueden identificar ahorros de costos cambiando la forma de los troqueles de fabricación, reduciendo el exceso de material y creando rápidamente prototipos de diseños reológicos.

12. Simulación de flujos de reacción y combustión con CFD

Los fluidos que fluyen que son químicamente reactivos (en el caso de un motor de combustión, por ejemplo), se denominan "flujos de reacción" en la simulación.

Estos tipos de flujos representan un problema de física difícil para los ingenieros.

Predecir el comportamiento de un fluido que reacciona a una escala de banco de química (milímetros) es una cosa, pero hacerlo a nivel de solución (en litros cúbicos) mientras se tiene en cuenta la turbulencia es inmensamente difícil.

Y, sin embargo, es un problema importante.

Ser capaz de comprender la química y la física subyacentes de los flujos de reacción es fundamental para aumentar la eficiencia energética, la flexibilidad del combustible y reducir las emisiones en los sectores automotriz, aeroespacial y energético.

Esta es un área donde sobresale la simulación CFD. Puede manejar problemas complejos de múltiples físicas, como flujos de reacción, brindando a los fabricantes información sobre sus productos que sería casi imposible de calcular manualmente, sin necesidad de realizar costosas pruebas físicas.

13. Flujo incompresible y comprimible con simulación CFD

(Fuente:SimScale)

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

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

El flujo incompresible se refiere a un fluido cuyos cambios de densidad son insignificantes, independientemente de la presión.

El agua que fluye a través de una tubería tiene un flujo incompresible porque la presión tendrá un impacto infinitesimal en su densidad.

Ambos tipos de flujo presentan desafíos únicos para fabricantes e ingenieros. Los ingenieros que trabajan en aerodinámica, por ejemplo, deben tener en cuenta la compresibilidad del oxígeno (con objetos que viajan a diferentes velocidades) en su análisis. Por el contrario, las industrias que trabajan con fluidos incompresibles deben tener en cuenta en sus cálculos los flujos turbulentos violentos, poderosos y caóticos.

Y en el caso de la industria aeroespacial, donde es posible que sea necesario combinar ambos tipos de cálculos en un solo análisis, las pruebas y la planificación pueden volverse increíblemente complejas.

Esta es la razón por la cual la simulación CFD es una necesidad absoluta para muchos fabricantes modernos. Software como SimScale permite a los ingenieros analizar flujos comprimibles e incompresibles en una simulación mediante la asignación de propiedades únicas a diferentes fluidos.

Pensamientos finales

Antes del advenimiento de la simulación, muchos de los problemas físicos prácticos del mundo se resolvían con pruebas físicas costosas (y que consumían mucho tiempo). Las empresas cuyos productos pasaron por alto pruebas rigurosas pagaron considerablemente más con las fallas y retiros del producto (y el daño a la reputación) a largo plazo.

Pero con la llegada del modelado de simulación, los ingenieros y diseñadores de todas las industrias han obtenido acceso a una forma económica de probar sus productos en prácticamente cualquier condición.

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

Pero las pruebas son solo una parte de la ecuación.

Ser capaz de actualizar los diseños CAD de manera rápida y eficiente para solucionar los problemas que fueron señalados por el análisis CFD sigue siendo un problema para los diseñadores, ya que a menudo requiere una gran cantidad de reelaboración manual.

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

Si es un diseñador o un ingeniero que trabaja con CAD y simulación, está íntimamente familiarizado con la cantidad de trabajo que se requiere para rediseñar productos en función de los resultados de la simulación. La mayoría del software CFD no actualizará su modelo CAD. En cambio, le brindan un "campo vectorial" para mostrar la deformación requerida para optimizar su modelo. Entonces es responsabilidad del diseñador modificar manualmente el diseño.

Este proceso de rediseño manual se puede automatizar mediante el uso del conjunto de herramientas de transformación BRep de Spatial. Dado un campo de deformación vectorial (un conjunto de puntos anteriores y posteriores), este conjunto de herramientas le permite transformar automáticamente cualquier geometría BRep. Por lo tanto, los ingenieros pueden acomodar fácilmente los resultados de la simulación en su diseño.