El término CFD proviene de las siglas en inglés “computacional fluid dynamics”, lo cual se traduce al castellano como dinámica de fluidos computacional. Es una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos. Los ordenadores son utilizados para realizar millones de cálculos requeridos para simular la interacción de los líquidos y los gases con superficies complejas proyectadas por la ingeniería. El sofware OpenFOAM es gratuito y de código abierto, permitiendo realizar análisis CFD en una amplia variedad de casos prácticos.
EL SOFTWARE OPENFOAM
El software OpenFOAM (open field operation and manipulation), se trata de un software de CFD gratuito y de código abierto desarrollado por Henry Weller y Hrvoje Jasak en 1989 en el Imperial College de Londres, bajo el nombre de FOAM, y lanzado como software de código abierto en 2004 con el nombre de OpenFOAM.
OpenFOAM está organizado en un conjunto de módulos C++ que posibilitan la resolución de problemas de análisis CFD, tales como flujo compresible, reacciones químicas, combustión, turbulencia, transferencia de calor, turbomáquinas, sólidos, flujo supersónico, electromagnetismo, flujos multifásicos, etc.
El software OpenFOAM es, ante todo, código escrito en lenguaje C++. Aunque cuenta con una amplia gama de funcionalidades para hacer simulaciones de CFD, permite personalizar y ampliar sus funcionalidades para adaptarlas a cada estudio particular, característica que constituye el principal motivo de elección de este software en una amplia diversidad de casos.
ESTRUCTURA DE OPENFOAM
La Estructura del Software OpenFOAM está constituido por una gran
biblioteca base, que ofrece las capacidades básicas del código:
- Tensor y operaciones de campo.
- Discretización de ecuaciones diferenciales parciales usando una sintaxis legible por humanos.
- Solución de sistemas lineales.
- Solución de ecuaciones diferenciales ordinarias.
- Paralelización automática de operaciones de alto nivel.
- Malla dinámica.
- Modelos físicos generales.
- Modelos de medios porosos.
- Modelos reológicos.
- Modelos de flujos compresibles / térmicos
- Modelos de reacción química y cinética.
- Métodos de seguimiento de partículas lagrangianas.
- Modelos de transferencia de calor radiactivo.
- Modelos de turbulencia.
- Simulación por medio de las Ecuaciones de Navier-Stokes.
- Simulación de grandes remolinos (LES) y de remolinos separados (DES, DDES, etc.).
- Solvers: realizan el cálculo real para resolver un problema específico de mecánica continua.
- Utilidades: se utilizan para preparar la malla, configurar la caja de simulación, procesar los resultados y realizar operaciones distintas a la solución del problema bajo examen.
Cada aplicación proporciona
capacidades específicas: por ejemplo, la aplicación llamada BlockMesh
se usa para generar mallas de un archivo de entrada proporcionado por
el usuario, mientras que otra aplicación llamada IcoFoam resuelve las
Ecuaciones de Navier-Stokes para un Flujo laminar incompresible.
Finalmente,
un conjunto de paquetes de terceros se utilizan para proporcionar
funcionalidad paralela (Open MPI) y post-procesamiento gráfico
(ParaView).
PROCEDIMIENTO DE SIMULACIÓN CFD CON OPENFOAM
Los pasos para realizar el análisis CFD con OpenFOAM sigue el mismo procedimiento habitual:
- La geometría y los límites físicos del problema se pueden definir utilizando un diseño asistido por computadora (CAD). A partir de ahí, los datos pueden procesarse adecuadamente y se extrae el volumen de fluido (o dominio de fluido).
- El volumen ocupado por el fluido se divide en células discretas (la malla). La malla puede ser uniforme o no uniforme, estructurada o no estructurada, y consiste en una combinación de elementos hexaédricos, tetraédricos, prismáticos, piramidales o poliédricos.
- Se define el modelado físico, por ejemplo, las ecuaciones de movimiento fluido + entalpía + radiación + conservación de especies.
- Las condiciones de contorno están definidas. Esto implica especificar el comportamiento y las propiedades del fluido en todas las superficies limitantes del dominio del fluido. Para problemas transitorios, también se definen las condiciones iniciales.
- Las ecuaciones se resuelven iterativamente como un estado estacionario o transitorio.
- En esta etapa final se realiza el análisis y la visualización de la solución resultante.
EJEMPLO DE LAS POSIBILIDADES DE ANÁLISIS CON OPENFOAM
Podemos usar OpenFOAM por ejemplo para simular un motor diésel de cuatro tiempos. La malla empleada para modelar el motor se muestra en la Fig. siguiente.
Debido
al movimiento del pistón y válvulas, la malla se actualiza en cada paso
de tiempo. El número de elementos de la malla varía desde 32.000 en el
PMS a 450.000 en el PMI. El tipo de elementos es hexaédrico. La cabeza
del cilindro, especialmente alrededor de las válvulas, debe ser refinada
para capturar las complejas características del fluido en esa zona.
En
OpenFOAM se realizan los cálculos basándose en las ecuaciones RANS
(Navier-Stokes con el promedio de Reynolds, del inglés “Reynolds
averaged Navier-Stokes”) de conservación de la masa, momento y energía,
respectivamente. Respecto a turbulencia, se recomienda usar el modelo
k-e.
Respecto
a las reacciones químicas que tienen lugar durante el proceso de
combustión, varias ecuaciones adicionales deben de ser añadidas al
modelo de cálculo.
Respecto a los modelos de combustión,
OpenFOAM aporta una importante ventaja, ya que se pueden incorporar
diversos esquemas cinéticos que han sido validados por medio de
experimentación empírica en laboratorios, como modelo de combustión del
diesel-oil está disponible el esquema cinético de Ra y Reitz (2008),
basado en 131 reacciones y 41 especies.
Como modelo de formación de NOx, se dispone del esquema cinético de Yang y col. (2003), basado en 43 reacciones y 20 especies. Como modelo de reducción de NOx, se puede usar el esquema cinético de Miller y Glarborg (1996), basado en 131 reacciones y 24 especies. En caso de querer analizar el uso del amoniaco como combustible en un motor de combustión interna, se dispone del esquema cinético de Mathieu y Peterson (2015).
Ventajas:
- Reducción sustancial en tiempo y costes en los nuevos diseños.
- Sintaxis amistosa para ecuaciones diferenciales parciales.
- Código fuente completamente documentado.
- Amplia gama de aplicaciones y modelos listos para usar.
- Sin costos de licencia.
- Software muy flexible con capacidad de ser ejecutado en paralelo.
- Posibilidad de analizar sistemas y condiciones muy difíciles de simular experimentalmente.
Inconvenientes:
- La comunidad de desarrollo sufre de fragmentación, dando lugar a numerosos proyectos bifurcados.
- Ausencia de una interfaz gráfica de usuario integrada (están disponibles las opciones independientes de código abierto y de propiedad).
- La guía del programador no proporciona suficientes detalles, lo que hace que la curva de aprendizaje sea muy pronunciada si necesita escribir nuevas aplicaciones o agregar funcionalidades.
- Se precisa de un gran conocimiento de las ecuaciones que modelan ciertos fenómenos físicos, necesitando personal con grandes conocimientos en la materia.
- Simplificación del fenómeno a estudiar para que el hardware y el software puedan abordarlo. El resultado será tanto más preciso cuanto más adecuadas hayan sido las hipótesis y simplificaciones realizadas.
- La existencia de insuficientes e incompletos modelos para simular el efecto de la turbulencia, fenómenos multifásicos o la combustión, entre otros.
Los cursos impartidos por Technical Courses están especialmente valorados por las empresas y estudiantes, por los siguientes motivos:
- Ponen a disposición de los estudiantes conocimientos a "nivel experto" por medio de cursos de corta duración que le permitan compatibilizarlos con una jornada laboral normal.
- Proporcionan a los alumnos la disponibilidad de realizar el curso en cualquier horario para mejor aprovechamiento de su tiempo. Los cursos está disponibles las 24 horas del día de lunes a domingo.
- Disponibilidad para realizar el curso desde cualquier lugar del mundo, con tan solo disponer de acceso a internet.
- Proporcionan cursos a costes razonables que los hacen asequibles para estudiantes con limitados recursos económicos. Hay que valorar también que con la formación online se eliminan costes adicionales que se tendrian en cursos presenciales (desplazamientos, dietas, estancias, tasas, impuestos, etc).
ENLACES:
- Computational fluid dynamics (Wiki)
- Software OpenFOAM
- Imperial College
- Análisis CFD de un motor de 2T ciclo Otto.
- Diseño de motores 2T marinos, análisis CAE y CFD
- Fairbaks Morse 38D8-1/8 (1937)
- Software gratuito para cálculo por Elementos Finitos
- ANALISIS CFD DEL MOTOR MARINO MAN 7S50MC
- Wartsilla 46: Análisis CFD del periodo de barrido durante el solape de válvulas.
- Mecánica de Fluidos Computacional (CFD). Aplicaciones Navales
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