Dinámica de fluidos computacional aplicada

Si estás leyendo esto, probablemente te interese explorar la dinámica de fluidos computacional o CFD (computational fluid dynamics) aplicada mediante el software Simcenter STAR-CCM+ u otra herramienta CFD. Este curso puede ser un primer paso para mejorar tu rendimiento laboral y avanzar en tu trayectoria profesional o académica. Hemos creado este curso para ayudarte a utilizar los conocimientos de la física de fluidos y la dinámica de fluidos computacional para obtener de la forma más eficiente soluciones de calidad a los problemas de transferencia de calor y flujo. En este curso no se dan instrucciones sobre cómo utilizar un programa informático en particular. En todas las simulaciones presentadas en este curso, se utilizó únicamente Simcenter STAR-CCM+. Aun así, los resultados del aprendizaje serían los mismos si se utilizara otro software público o comercial, siempre que tenga las mismas funcionalidades.

• Introducción a la dinámica de fluidos computacional aplicada
• En la semana 1, se estudiará el flujo en un canal con un obstáculo semicircular en la pared inferior para introducir los modelos básicos de flujo (ecuaciones de Euler, Navier-Stokes y Navier-Stokes promediadas por Reynolds), las características básicas de la mayoría de los flujos en aplicaciones de ingeniería (capa límite, capa de deslizamiento, separación de flujo, zona de recirculación) y los enfoques para simular flujos que presentan estos fenómenos. Se explica la distinción entre flujos no viscosos, laminares y turbulentos, así como la forma de visualizar y analizar las características del flujo y el modo en que el conocimiento del régimen de flujo afecta el diseño de la malla computacional y a la elección de los modelos físicos y los parámetros de simulación. Por último, se presentan las formas de aumentar la eficiencia de la simulación y la estimación de los errores de discretización.
• Flujos en difusores y toberas
• En la semana 2, se estudiarán los flujos en difusores y toberas. Son representaciones genéricas de secciones transversales divergentes o convergentes de trayectorias de flujo que están presentes en muchas aplicaciones de ingeniería. Tanto en los difusores como en las toberas, se producen separaciones y recirculaciones de flujo si los ángulos de divergencia o convergencia son suficientemente altos. En las geometrías de difusores simétricos, el flujo suele ser asimétrico, y en las toberas puede producirse una vena contracta. Se explican estos fenómenos y la evaluación de la eficiencia de la conversión energética, así como las pérdidas de energía. También se analizan los efectos de los detalles geométricos (variación del ángulo de expansión/contracción, redondeo de las esquinas con diferentes radios) y la succión a través de las paredes del difusor.
• Flujos secundarios y de vórtice
• En la semana 3, estudiaremos el flujo inducido por presión o turbulencia en direcciones distintas de la trayectoria del flujo primario. En primer lugar, se analizan en detalle los flujos secundarios tridimensionales originados por la presión en codos de ductos o tuberías, y luego se pasa al análisis del flujo secundario originado por la turbulencia en ductos con secciones transversales no circulares. Se describe la física que subyace tras estos fenómenos y se explican las formas de simularlos. A continuación, se analizan los flujos de vórtice de herradura y de punta; que también son representaciones genéricas de flujos que se generan en muchas aplicaciones prácticas con uniones de cuerpos y puntas libres. The flow physics, computational details (design of an optimal grid and its local refinement, the choice of physics models and the simulation approach) are explained.
• Flujos alrededor de un cilindro circular
• En la semana 4, estudiaremos los flujos alrededor de un cilindro circular con números de Reynolds entre 5 y 5 millones. El cilindro circular es una representación genérica de un cuerpo esbelto expuesto a un flujo transversal; se trata de situaciones que se dan en muchas aplicaciones prácticas. Dependiendo del número de Reynolds, el flujo puede ser de Stokes (lento), laminar estacionario o no estacionario, o turbulento. La separación y recirculación del flujo pueden adoptar formas muy diversas y dar lugar a desprendimientos de vórtices (la calle de vórtices de von Karman), a la transición a la turbulencia en la estela, en capas de deslizamiento o en capas límite en la superficie del cilindro. Se describen tanto las crisis de arrastre en un cilindro con número de Reynolds crítico como el efecto Magnus en un cilindro giratorio. Se presentan distintas técnicas de simulación de flujos turbulentos: simulación numérica directa, simulación de grandes remolinos o solución de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds utilizando distintos modelos de turbulencia, y se explica qué técnica es adecuada para cada tipo de flujo.
• Flujos con transferencia de calor
• En la semana 5, estudiaremos la transferencia de calor, incluida la conducción en sólidos, la convección natural y forzada en fluidos, y la transferencia de calor conjugada. Explicaré cómo se transfiere el calor entre medios continuos en la interfase sólido-fluido, en qué se diferencian los flujos laminares de los turbulentos, qué propiedades de una malla computacional son deseables en la interfase líquido-sólido y por qué son importantes las capas de prismas en las paredes. Se hace hincapié en la diferencia entre estratificación estable e inestable en los flujos de convección natural y en la importancia de tener en cuenta la dependencia correcta de las propiedades del fluido con respecto a la temperatura. Por último, se explica cómo simular de forma óptima la transferencia de calor simultánea a través de múltiples corrientes de flujo separadas por cuerpos sólidos.