Capitulo 3
Páginas: 14 (3399 palabras)
Publicado: 17 de marzo de 2015
Capítulo 3
Dinámica de Fluidos computacional
(CFD)
3.1.
Introducción
3.1.1.
El proceso de la dinámica de fluidos computacional
La aproximación de una variable continua en un número finito de puntos se llama discretización,
como se puede observar en la figura 3.1.
Figura 3.1: Discretización de variables
Los elementos principales en la dinámica de fluidos computacional (CFD) son:
1.Discretización del flujo continuo, es decir, las variables de campo (ρ, u, v, w, p, ...) se aproximan
por un número finito de valores en puntos llamados nodos.
2. Las ecuaciones de movimiento también se discretizan, es decir, aproximadas en función de los
valores en los nodos:
Ecuaciones Integrales =⇒ Ecuaciones algebraicas
(continuas)
(discretas)
3. El sistema de ecuaciones algebraicas se resuelven y seobtienen los valores de las variables en
todos los nodos.
3.1.2.
Etapas en un análisis de CFD
Un análisis completo de dinámica de fluidos computacional consta de las siguientes etapas[18]:
65
66
CAPÍTULO 3. DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD)
Cálculos previos
Esta etapa consiste en:
Formular el problema y plantear las ecuaciones que lo gobiernan
Establecer las condiciones de contornoLa generación de una malla de volúmenes finitos
Todo esto depende del análisis que queramos realizar (fuerzas, flujos, distribución de concentraciones, transferencia de calor,...) y de la capacidad computacional
Solución de las ecuaciones
Esta es la etapa principal del CFD. En ella tiene lugar la solución numérica de las ecuaciones que
gobiernan el problema.
Análisis de los resultados
Losresultados obtenidos de la solución de las ecuaciones se corresponden con el valor de las
variables de campo (ρ, u, v, w, p, ...) en cada punto de la malla. Esta enorme cantidad de números
deben reducirse a los fundamentales para poder manejarse con facilidad y obtener lo que pretendíamos
con el cálculo.
Una parte importante de esta etapa es la representación gráfica de las variables que gobiernan elflujo, para tener una visión rápida y amena de los resultados obtenidos.
También se incluye, la comparación de los resultados obtenidos con otros ya obtenidos con:
Otros obtenidos anterioridad mediante el análisis de CFD.
Con resultados experimentales de tunel de vientos, ...
Con resutados tabulados existentes en normativas, publicaciones científicas, ...
3.1.3.
Aplicaciones de la dinámica defluidos computacional.
La dinámica de fluidos computacional ha sido empleada en una gran cantidad de campos de la
ingeniería, entre los que se pueden destacar:
Aerodinámica - aviones y automóviles
Hidrodinámica de embarcaciones
Motores
Turbomáquinas - bombas y turbinas
Transferencia de calor - sistemas de calentamiento o enfríamiento
Combustión
Ingeniería de procesos - mezclas y reaccionesquímicas
Cargas de viento - fuerzas y respuesta dinámica de estructuras
Riegos de fuego y explosiones
Ingeniería medioambiental - transporte de efluentes líquidos y gaseosos
Ingeniería costera - cargas en estructuras costeras y ”offshore”
3.2. DISCRETIZACIÓN ESPACIAL
67
Hidráulica - redes de tuberías, depósitos, canales, presas, ...
Oceanografía - corrientes oceánicas y maremotos
Meteorología -predicción numérica del tiempo
Ingeniería biomédida - flujo de la sangre en el corazón, venas y arterias
Electrónica - refrigeración de circuitos
3.2.
Discretización espacial
3.2.1.
Introducción
El primer paso en la aplicación de la dinámica de fluidos computacional, consiste en la discretización
espacial del dominio para posteriormente calcular sobre la misma la aproximación numérica de los
flujosconvectivos y difusivos, así como las fuentes. Existen muchos métodos para la discretización del
problema. A groso modo, podemos clasificar los distintos esquemas de discretización en tres categorías
principales: diferencias finitas, volúmenes finitos y elementos finitos. Todos estos métodos requieren
una previa discretización geométrica (espacial) para poder realizar la discretización de las...
Dinámica de Fluidos computacional
(CFD)
3.1.
Introducción
3.1.1.
El proceso de la dinámica de fluidos computacional
La aproximación de una variable continua en un número finito de puntos se llama discretización,
como se puede observar en la figura 3.1.
Figura 3.1: Discretización de variables
Los elementos principales en la dinámica de fluidos computacional (CFD) son:
1.Discretización del flujo continuo, es decir, las variables de campo (ρ, u, v, w, p, ...) se aproximan
por un número finito de valores en puntos llamados nodos.
2. Las ecuaciones de movimiento también se discretizan, es decir, aproximadas en función de los
valores en los nodos:
Ecuaciones Integrales =⇒ Ecuaciones algebraicas
(continuas)
(discretas)
3. El sistema de ecuaciones algebraicas se resuelven y seobtienen los valores de las variables en
todos los nodos.
3.1.2.
Etapas en un análisis de CFD
Un análisis completo de dinámica de fluidos computacional consta de las siguientes etapas[18]:
65
66
CAPÍTULO 3. DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD)
Cálculos previos
Esta etapa consiste en:
Formular el problema y plantear las ecuaciones que lo gobiernan
Establecer las condiciones de contornoLa generación de una malla de volúmenes finitos
Todo esto depende del análisis que queramos realizar (fuerzas, flujos, distribución de concentraciones, transferencia de calor,...) y de la capacidad computacional
Solución de las ecuaciones
Esta es la etapa principal del CFD. En ella tiene lugar la solución numérica de las ecuaciones que
gobiernan el problema.
Análisis de los resultados
Losresultados obtenidos de la solución de las ecuaciones se corresponden con el valor de las
variables de campo (ρ, u, v, w, p, ...) en cada punto de la malla. Esta enorme cantidad de números
deben reducirse a los fundamentales para poder manejarse con facilidad y obtener lo que pretendíamos
con el cálculo.
Una parte importante de esta etapa es la representación gráfica de las variables que gobiernan elflujo, para tener una visión rápida y amena de los resultados obtenidos.
También se incluye, la comparación de los resultados obtenidos con otros ya obtenidos con:
Otros obtenidos anterioridad mediante el análisis de CFD.
Con resultados experimentales de tunel de vientos, ...
Con resutados tabulados existentes en normativas, publicaciones científicas, ...
3.1.3.
Aplicaciones de la dinámica defluidos computacional.
La dinámica de fluidos computacional ha sido empleada en una gran cantidad de campos de la
ingeniería, entre los que se pueden destacar:
Aerodinámica - aviones y automóviles
Hidrodinámica de embarcaciones
Motores
Turbomáquinas - bombas y turbinas
Transferencia de calor - sistemas de calentamiento o enfríamiento
Combustión
Ingeniería de procesos - mezclas y reaccionesquímicas
Cargas de viento - fuerzas y respuesta dinámica de estructuras
Riegos de fuego y explosiones
Ingeniería medioambiental - transporte de efluentes líquidos y gaseosos
Ingeniería costera - cargas en estructuras costeras y ”offshore”
3.2. DISCRETIZACIÓN ESPACIAL
67
Hidráulica - redes de tuberías, depósitos, canales, presas, ...
Oceanografía - corrientes oceánicas y maremotos
Meteorología -predicción numérica del tiempo
Ingeniería biomédida - flujo de la sangre en el corazón, venas y arterias
Electrónica - refrigeración de circuitos
3.2.
Discretización espacial
3.2.1.
Introducción
El primer paso en la aplicación de la dinámica de fluidos computacional, consiste en la discretización
espacial del dominio para posteriormente calcular sobre la misma la aproximación numérica de los
flujosconvectivos y difusivos, así como las fuentes. Existen muchos métodos para la discretización del
problema. A groso modo, podemos clasificar los distintos esquemas de discretización en tres categorías
principales: diferencias finitas, volúmenes finitos y elementos finitos. Todos estos métodos requieren
una previa discretización geométrica (espacial) para poder realizar la discretización de las...
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