La dinámica de fluidos computacional (CFD) es el uso de matemáticas aplicadas, física y software computacional para visualizar cómo fluye un gas o líquido, así como cómo el gas o el líquido afecta a los objetos a su paso. La dinámica de fluidos computacional se basa en las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones describen cómo se relacionan la velocidad, la presión, la temperatura y la densidad de un fluido en movimiento.
Definición de CFD
“La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza análisis numérico y estructuras de datos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos. "
La modelización matemática de un problema continuo conduce a un conjunto de ecuaciones diferenciales, integrales o integrodiferenciales. La solución analítica exacta de tales ecuaciones se limita a problemas de geometrías simples. Por tanto, para la mayoría de los problemas de interés práctico, se busca una solución numérica aproximada. En el contexto de la mecánica, la ciencia y práctica de obtener soluciones numéricas aproximadas utilizando computadoras digitales se llama Mecánica Computacional. Para problemas de termofluidos, este enfoque se conoce popularmente como dinámica de fluidos computacional (CFD).
Se utilizan computadoras para realizar los cálculos necesarios para simular la interacción de líquidos y gases con superficies definidas por condiciones límite. Con supercomputadoras de alta velocidad se pueden lograr mejores soluciones. La investigación en curso produce software que mejora la precisión y la velocidad de escenarios de simulación complejos, como flujos transónicos o turbulentos. La validación experimental inicial de dicho software se lleva a cabo mediante un túnel de viento, y la validación final se lleva a cabo en pruebas a gran escala, por ejemplo, pruebas de vuelo.
La base fundamental de casi todos los problemas de CFD son las ecuaciones de Navier-Stokes, que definen muchos flujos de fluidos monofásicos (gas o líquido, pero no ambos). Estas ecuaciones se pueden simplificar eliminando términos que describen acciones viscosas para producir las ecuaciones de Euler. Una mayor simplificación, al eliminar los términos que describen la vorticidad, produce las ecuaciones de potencial completas. Finalmente, para pequeñas perturbaciones en flujos subsónicos y supersónicos (no transónicos o hipersónicos), estas ecuaciones se pueden linealizar para producir ecuaciones de potencial linealizadas.
CFD se ocupa de soluciones numéricas aproximadas de ecuaciones rectoras basadas en las leyes fundamentales de conservación de la física, es decir, conservación de masa, momento y energía.
La solución CFD implica
- Conversión de las ecuaciones gobernantes de un medio continuo en un conjunto de ecuaciones algebraicas discretas mediante un proceso llamado discretización.
- La solución de ecuaciones discretas se puede utilizar una computadora digital de alta velocidad para obtener la solución numérica con el nivel de precisión deseado.
Metodología de CFD:
- Límites físicos del problema definidos.
- Volumen definido por límites dividido en celdas o mallas.
- Modelado físico definido: las ecuaciones de movimiento, radiación, entalpía y conservación de especies.
- Condiciones de contorno definidas
- La simulación comienza
- Análisis y visualización de datos realizados.
Los principales componentes de un ciclo de diseño CFD son los siguientes:
- Analista – indica el problema a resolver
- Modelo y métodos – expresados matemáticamente
- Programas : incorpora conocimientos y proporciona algoritmos.
- Hardware informático : para cálculos reales, y un analista debe inspeccionar e interpretar los resultados de la simulación.
APLICACIÓN de dinámica de fluidos computacionalAPLICACIONES DE CFD
Los CFD se utilizan para investigación fundamental así como para I+D industrial. El análisis CFD es una parte integral del ciclo de diseño en la mayoría de las industrias: desde la aeroespacial, la química y el transporte hasta la ingeniería biomédica. Las escalas de longitud van desde capas límite planetarias hasta microcanales en equipos electrónicos. La siguiente es una breve lista de algunas de las aplicaciones más destacadas de CFD:
- Meteorología: pronóstico del tiempo
- Aeroespacial: diseño de alas para completar el diseño aerodinámico del avión.
- Turbomáquinas: diseño de turbinas hidráulicas, de vapor, de gas y eólicas; diseño de bombas, compresores, sopladores, ventiladores, difusores, boquillas.
- Motores: modelado de combustión en motores de combustión interna.
- Electrónica: refrigeración de microcircuitos.
- ingeniería de procesos químicos
- Sistemas energéticos: análisis de centrales térmicas y nucleares, modelización de situaciones de accidente en reactores nucleares.
- Hidráulica e hidrología: caudal en ríos, canales, acuíferos subterráneos, transporte de sedimentos.
- HVAC : Diseño de conductos, colocación de conductos de calefacción/refrigeración para un confort óptimo en un edificio.
- Transporte de superficie: diseño aerodinámico de vehículos.
- Marina : diseño hidrodinámico de barcos, cargas en estructuras marinas.
- Biomédica: simulación del flujo sanguíneo a través de arterias y venas, flujo de fluidos en los sistemas renal y ocular.
- Física de flujos fundamental: dinámica de flujos laminares, transicionales y turbulentos.
