Simulacin CFD (Computational Fluid Dynamics) en ANSYS

Por: Jorge Montalvo

El mtodo de elementos finitos es un procedimiento de resolucin de sistemas mecnicos que utiliza programas computacionales para la resolucin y simulacin de los mismos. En la actividad interactiva no. 1 se realiz la simulacin del pandeo lineal una columna y se analiz dems la deformacin plstica que sufre dicho elemento. Este tipo de problemas representa componentes de un campo vectorial, donde la incgnita es el campo vectorial del vector desplazamiento. El objetivo fundamental de la actividad interactiva no. 2 es la resolucin de problema de la mecnica de fluidos, que son problemas de naturaleza escalar.

Una caracterstica sorprendente de los problemas de campo escalar es que ellos aparecen en todas las ramas de la ingeniera y de la fsica. Casi todos pueden verse como problemas como formas especiales de la ecuacin de Helmholtz, que est dada por la siguiente expresin

junto con las condiciones de frontera y sus derivadas. En la ecuacin anterior el campo variable a determinar es

Para problema de flujo de fluidos el campo escalar a determinar es la velocidad no dimensional y la ecuacin Helmholtz, queda de la siguiente forma

donde W es el campo escalar Velocidad no dimensional.

Como en todos los problemas de elementos finitos se debe seguir una secuencia de pasos para la resolucin del mismo, es decir se debe primero establecer una geometra del problema, luego se realiza el mallado de la geometra para obtener el nmero de elementos y finalmente se establecen las condiciones de frontera. En la interfaz del Workbench se selecciona la opcin de anlisis Fluid Flow (Fluent), a continuacin se crea la geometra con la ayuda de la interfaz de DesingModeler y se crea el codo, las opciones con las que se crea la geometra son muy similares a las que existen en el SolidWorks o el Inventor. Para la realizar el mallado de la superficie se utiliza la interfaz de Meshing Application, esta interfaz es un poco complicada de entender ya que se requiere de un computador que tenga una memoria de RAM suficiente para ejecutar el mallado de la superficie.

Una vez terminado el mallado de la geometra nos dirigimos a la aplicacin Fluent Launcher, seleccionamos el tipo de configuracin que queremos para la solucin del problema. En la seccin de Models activamos la opcin de Energy, editamos la viscosidad del fluido, agregamos el tipo de fluido (agua); configurando la densidad, la conductividad trmica, etc. Editamos Cells Zone Conditions para seleccionar los nombres de cada una de las secciones que en el editor de malla creamos. Elegimos las condiciones de velocidad y temperatura del fluido. A continuacin se selecciona el tipo de solucin que se desea, se elige el nmero de iteraciones y a continuacin de muestra un grfico en el que se muestra la variacin de la velocidad.

Se realiza los mismos pasos para la otro tipo de codo en el que la entrada de agua caliente aumenta de dimetro. Y se obtienen resultados diferentes tanto en el perfil de velocidades as como en el perfil de temperaturas.

Uno de los puntos ms importantes en el diseo de mezcladores de agua caliente y fra es obtener resultados obtenidos en esta actividad ya que de dichos grficos se puede obtener mejores datos visuales acerca del comportamiento de elementos especficos, en este caso una entrada de agua caliente a un codo.

Para determinar qu tipo de tubera nos ayudara a obtener una temperatura alta a la salida del codo es sin duda alguna la segunda opcin, aunque no es tan grande la diferencia entre la primera y la segunda opcin (el gradiente de temperatura entre ambas opciones es de apenas 4C) pero si se toma en cuenta cuestiones energticas con respecto a costo beneficio, es ms barato inclinarse por la segunda opcin, ya que es como dicen en el comn vulgar un solo gasto, pues si se toman en cuenta cuestiones energticas al final de un tiempo determinado va a ser ms caro que la primera opcin.