En el mundo de la ingeniería, la simulación computacional ha emergido como una herramienta invaluable para mejorar productos y procesos de manera eficiente y económica. La “Dinámica de Fluidos Computacional” (CFD, por sus siglas en inglés) se destaca como una herramienta esencial que brinda oportunidades inigualables para la optimización en diversos campos de la ingeniería. En este artículo, exploraremos brevemente su utilidad, metodología de aplicación y casos prácticos de su implementación.
¿Para qué sirve la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)?
La fluidodinámica computacional o dinámica de fluidos computacional, frecuentemente abreviada como CFD, es una herramienta de simulación que permite analizar y comprender fenómenos relacionados con la dinámica de fluidos, transferencia de calor y fuerzas aerodinámicas. Su principal ventaja radica en la posibilidad de realizar experimentos virtuales, lo que facilita la optimización de productos y procesos.
Una de las ventajas clave radica en su capacidad para experimentar virtualmente con múltiples diseños y materiales, sin incurrir en costos de fabricación.
Esta flexibilidad facilita la exploración de ideas innovadoras y la optimización continua de productos. Además, la CFD permite la identificación temprana de riesgos y fallos potenciales en sistemas, infraestructura o herramientas, evitando así accidentes en la vida real.
El alcance de la simulación CFD es amplio y versátil, abarcando desde la simulación de fenómenos físicos y químicos hasta el análisis de estructuras a diferentes escalas. En el ámbito académico, el CFD se utiliza para comprender fenómenos físicos y químicos complejos, como la formación de campos, turbulencias y vórtices alrededor de objetos expuestos a flujos de sustancias.
A escalas macro, la CFD se convierte en una herramienta valiosa para analizar la ventilación y el flujo de aire en entornos urbanos, estadios o edificios. Además, se puede aplicar a escalas microscópicas para simular fenómenos rápidos o lentos, como ondas de choque, disparos, o el deterioro de materiales a lo largo del tiempo.
A continuación, un ejemplo de su uso
A continuación, un ejemplo de su uso
Aquí se muestra un análisis detallado de fuerzas y estrés, permitiendo mejoras graduales en la geometría y aspectos clave del diseño. Este proceso iterativo abarca diversos aspectos, desde la distribución de fuerzas hasta la resistencia estructural, y se traduce en refinamientos significativos.
La capacidad de perfeccionar virtualmente cada detalle es una herramienta valiosa que impulsa la innovación y la calidad en el diseño de productos mecánicos.
Simulación de fenómenos atmosféricos
Simulación de fenómenos atmosféricos
En este segmento, exploramos la fascinante capacidad de las simulaciones para representar fenómenos físicos, centrándonos en la visualización del flujo de aire por un objeto.
Aquí, el aire se mueve desde la izquierda hacia la derecha y la representación visual utiliza colores para comunicar información clave sobre el fenómeno. Las áreas azules indican velocidades más lentas, mientras que las áreas rojas representan velocidades más rápidas. De esta manera, los tonos fríos sugieren temperaturas más bajas, y los tonos cálidos indican temperaturas más altas.
Este tipo de simulaciones no solo proporcionan una visualización importante, sino que también son fundamentales en la comprensión de fenómenos atmosféricos a gran escala como lo es la dispersión del CO2.
Cabe destacar que las ecuaciones utilizadas en estas simulaciones, a pesar de ser a escala reducida, comparten similitudes con las ecuaciones empleadas en la predicción de huracanes a escala atmosférica. Esta conexión demuestra la versatilidad de las herramientas de simulación, que no solo son aplicables a nivel microscópico, como el flujo alrededor de un círculo, sino que también tienen implicaciones en la predicción meteorológica.
CFD en el contexto de ingeniería informática
CFD en el contexto de ingeniería informática
Es importante señalar que CFD es solo una de las numerosas herramientas disponibles en el campo de la Ingeniería Informática. Métodos como el Método de Elemento Finito, técnicas numéricas y el propio Diseño Asistido por Computadora (CAD) son parte integral de esta disciplina.
La meta principal es mejorar y perfeccionar productos antes de la manufactura, permitiendo realizar experimentos virtuales y validar teorías, evitando costosos procesos de prueba física.
La interacción entre CFD, física y matemáticas es fundamental para comprender y predecir fenómenos fluidodinámicos, empleando ecuaciones matemáticas complejas y métodos numéricos avanzados para simular y analizar el comportamiento de los fluidos en diversas situaciones, desde flujos alrededor de estructuras hasta la dispersión de sustancias en el aire.
Herramientas CFD
Herramientas CFD
El área de CAE (Computer-Aided Engineering) y la física que se ocupa de emular, entender y modelar fenómenos fluidos mediante métodos numéricos y estadísticos, incluye diversos aspectos como:
- Cavitación.
- Transferencia de calor.
- Ondas de choque.
- Cambios de fase fisicoquímicos.
- Flujo interno y externo.
- Flujos multifásicos.
Estos son solo algunos ejemplos de los fenómenos que se abordan en el campo de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), una disciplina fundamental en la ingeniería y el diseño para comprender y optimizar el comportamiento de sistemas fluidos.
¿En dónde puede utilizarse?
¿En dónde puede utilizarse?
1. Generación eléctrica en ríos: CFD se aplica en la evaluación de sistemas de generación eléctrica en ríos, como un aforador con una tobera convergente divergente. La simulación previa a la fabricación en 3D permite verificar la eficacia del diseño y garantizar su funcionalidad.
2. Transferencia de calor y fenómenos térmicos: En experimentos relacionados con transferencia de calor, se simula la radiación solar en una piscina, evidenciando la capacidad de CFD para analizar fenómenos térmicos. Los resultados proporcionan información valiosa sobre cómo se calienta y enfría el agua en diferentes condiciones.
3. Diseño de vehículos: En el ámbito del diseño vehicular, la simulación mediante CFD se emplea para optimizar la eficiencia energética y la aerodinámica. Un ejemplo concreto es el diseño de un auto solar, donde se ajusta la geometría para mejorar su rendimiento.
4. Optimización topológica: Aunque no es exclusivamente de CFD, se destaca la optimización topológica como una herramienta valiosa para reducir el peso de estructuras. Se ejemplifica con la optimización de una lámina, mostrando cómo esta técnica contribuye a la eficiencia estructural.
Metodología de una simulación CFD
Metodología de una simulación CFD
La metodología para su aplicación implica varios pasos cruciales. En primer lugar, se identifica el problema a resolver, se establecen límites y se define el dominio de simulación. A continuación, se realiza el preprocesamiento, donde se simplifican los modelos y se discretizan en elementos para la resolución de ecuaciones mediante métodos numéricos, posteriormente, la computadora entra en acción, ejecutando la simulación, y posteriormente se evalúan e interpretan los resultados. Este proceso iterativo permite la optimización y mejora continua.
Una nueva perspectiva
Una nueva perspectiva
La “Dinámica de Fluidos Computacional” (CFD), se presenta como una herramienta indispensable en la caja de herramientas de ingenieros y diseñadores. Su capacidad para simular situaciones diversas, identificar problemas potenciales y optimizar diseños ha revolucionado la forma en que se desarrollan productos y procesos.
El continuo avance en la tecnología CFD promete abrir nuevas posibilidades en la mejora de la eficiencia y sostenibilidad en distintas industrias. En KINENERGY buscamos aprovechar el desarrollo de nuevas tecnologías para ofrecer soluciones innovadoras que marquen el camino hacia un futuro más inteligente y eficiente en la ingeniería y la energía. ¿Estás interesado? ¡Déjanos tus datos y nos pondremos en contacto!
Alberto Ávila
Modelador Energético Jr.
Alberto cuenta con 3 años de experiencia en proyectos de sustentabilidad, eficiencia energética, movilidad sostenible y energía renovable; destaca el desarrollo del proyecto y prototipo del “Auto Solar Hyadi Solar Racing Team” en la UAEMex.
Actualmente, estudia la Maestría en Ciencias de la Sostenibilidad en la UNAM, estudió Ingeniería en Sistemas Energéticos Sustentables en la UAEMex y tiene un diplomado en Computer Fluid Dynamics por parte de ANSYS. Beto como le gusta que le digan, vive entre Toluca (de donde es originario) y CDMX, donde disfruta de eventos musicales, andar en bicicleta y se interesa por la agricultura urbana.
Alberto cuenta con 3 años de experiencia en proyectos de sustentabilidad, eficiencia energética, movilidad sostenible y energía renovable; destaca el desarrollo del proyecto y prototipo del “Auto Solar Hyadi Solar Racing Team” en la UAEMex.
Actualmente, estudia la Maestría en Ciencias de la Sostenibilidad en la UNAM, estudió Ingeniería en Sistemas Energéticos Sustentables en la UAEMex y tiene un diplomado en Computer Fluid Dynamics por parte de ANSYS. Beto como le gusta que le digan, vive entre Toluca (de donde es originario) y CDMX, donde disfruta de eventos musicales, andar en bicicleta y se interesa por la agricultura urbana.
