Tecnicas numericas en ingenieria de fluidos

Técnicas numéricas
en ingeniería de fluidos
Introducción a la dinámica de fluidos
computacional (CFD) por el método
de volúmenes finitos

Jesús Manuel Fernández Oro
Profesor Titular de la Universidad de Oviedo
Departamento de Energía – Área de Mecánica de Fluidos

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · Caracas · México

Registro bibliográfico (ISBD)
Fernández Oro, Jesús Manuel
Técnicasnuméricas en ingeniería de fluidos : introducción a la dinámica de fluidos computacional (CFD) por el
método de volúmenes finitos / Jesús Manuel Fernández Oro. – Barcelona : Reverté, 2012.
XXVIII, 384 p. : il. ; 25 cm.
Bibliografía. – Índice.
DL B-40455-2011. – ISBN 978-84-291-2602-0
1. Mecánica de fluidos. 2. Métodos matemáticos. I. Título.
532:519.6

Copyright © Jesús Manuel Fernández OroEdición en español:
Copyright © Editorial Reverté, S. A., 2012
ISBN: 978-84-291-2602-0
DISEÑO Y MAQUETACIÓN: REVERTÉ-AGUILAR

Propiedad de:
EDITORIAL REVERTÉ, S. A.
Loreto, 13-15, Local B
08029 Barcelona
Tel: (34) 93 419 33 36
Fax: (34) 93 419 51 89
reverte@reverte.com
www.reverte.com
Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio oprocedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, queda rigurosamente prohibida sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas por las leyes.
Impreso en España - Printed in Spain
ISBN: 978-84-291-2602-0
Depósito legal: B-40455-2011
Impresión yencuadernación: Liberdúplex, S.L.U.
# 1372

ÍNDICE DE CONTENIDOS
PRÓLOGO XIII
AGRADECIMIENTOS XVII
NOMENCLATURA XIX
1. INTRODUCCIÓN AL CFD 1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

¿Qué es el CFD? 3
Reseña histórica sobre el CFD 3
Campos de aplicación 12
Ventajas e inconvenientes 15
Desarrollo y empleo de códigos: usuario frente a programador
1.5.1 Códigos CFD: secuencia y estructura 17
1.5.2Códigos CFD: estrategias a seguir 20

1.6 Objetivos de este libro 23
1.7 Estructura del libro 24

2. ALGUNAS IDEAS FUNDAMENTALES

27

2.1 CFD: estrategia de utilización 29
2.2 Discretización espacial: sistema algebraico
de ecuaciones 30
2.2.1 Método de diferencias finitas 30
2.2.2 Método de elementos finitos 31
2.2.3 Método de volúmenes finitos 32

16

viii

Índice de contenidos2.3 Solución del sistema algebraico de ecuaciones 33
2.3.1 Aplicación de condiciones de contorno 34
2.3.2 Dependencia de la malla 35

2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9

El problema de la no linealidad de las ecuaciones 36
Método iterativo de resolución 38
Criterio de convergencia para la solución iterativa 40
Estabilidad numérica 42
Precisión, consistencia, estabilidad y convergencia 44
Elproblema del cierre turbulento 46

3. ECUACIONES DIFERENCIALES DE CONSERVACIÓN 51
3.1 Ecuación general de conservación 53
3.2 Ecuaciones de gobierno para el flujo y la transferencia de calor 57
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4

Ecuación de conservación de masa 57
Ecuación de conservación de momento 58
Ecuación de conservación de la energía 58
Ecuación de conservación de las especies 59

3.3Forma integral de la ecuación general 60
3.4 Ecuaciones simplificadas para la resolución del flujo: técnicas
numéricas 61
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4

Flujo potencial y flujo ideal 62
Flujo incompresible en la capa límite
Flujo viscoso incompresible 64
Flujo compresible 65

63

3.5 Clasificación matemática de las ecuaciones en derivadas parciales
3.5.1 Consideraciones físicas 66
3.5.2Consideraciones matemáticas 67
3.5.3 Clasificación para las ecuaciones de flujo

71

3.6 Condiciones iniciales y de contorno 72

4. MÉTODO DE VOLÚMENES FINITOS (MVF) 75
4.1 Conceptos generales 77
4.2 Características y tipos de mallado

78

4.2.1 Mallados estructurados 80
4.2.2 Mallados no estructurados 83
4.2.3 Calidad de la malla y buenas prácticas

85

4.3 Discretización...