La dinámica de fluidos computacional, el término más utilizado en el mundo académico, también se conoce por las siglas CFD(Computational Fluid Dynamics). Permite abordar problemas mediante simulación numérica aplicada al flujo de fluidos, la transferencia de calor y otros fenómenos relacionados. Es un área de la ingeniería en constante desarrollo, ya que su aplicabilidad y potencial aumentan con la evolución de los recursos informáticos disponibles. 

Para entender la simulación CFD, hay que estar familiarizado con dos áreas principales: los métodos numéricos y la dinámica de termofluidos.

Métodos numéricos

Son métodos en los que se aplican algoritmos para resolver problemas matemáticos, como: ecuaciones algebraicas, sistemas de ecuaciones lineales, interpolación y extrapolación, ajuste de puntos en una curva, ecuaciones diferenciales, etc.

Mecánica de fluidos y termodinámica

Las ciencias térmicas incluyen la mecánica de fluidos, la termodinámica y la transferencia de calor. Tratando específicamente de la mecánica de fluidos, puede decirse que esta área de conocimiento estudia el comportamiento de los fluidos divididos en dos categorías:

• fluidos en reposo, o estática de fluidos; 
• fluidos en movimiento, o dinámica de fluidos.

Basándose en estas categorías, la ingeniería tiene una serie de aplicaciones industriales muy complejas para la mecánica de fluidos, pero al mismo tiempo son muy sencillas en la vida cotidiana de la mayoría de la gente. Todo movimiento se produce en algún tipo de fluido, ya sea aire, agua u otros fluidos más específicos. He aquí algunos ejemplos:

1. Flujo de aire para refrigeración de portátiles;
2. El aire que el aire acondicionado lanza a la gente en un auditorio;
3. Apertura y cierre de válvulas hidráulicas en pisos;
4. Transporte de personas por aire con aviones o por mar con barcos;
5. Vertido en retretes. 

Incluso en las aplicaciones mencionadas, puede verse que el estudio de la mecánica de fluidos está estrechamente ligado a las disciplinas de la termodinámica y la transferencia de calor. Tomando como ejemplo un sistema de refrigeración, el fluido de trabajo, también llamado refrigerante, se utiliza para transferir calor de una región más fría a otra más caliente. El análisis CFD abarca , por tanto, la aplicación de todas las ciencias térmicas al estudio de los fluidos. Para saber más sobre Termodinámicaconsulte este artículo.

Matemáticas detrás de CFD

Como es de esperar, los fluidos obedecen a las leyes fundamentales de la física en lo que respecta a la conservación de la masa, la cantidad de movimiento y la energía. Estas leyes fundamentales nos conducen a las ecuaciones de continuidad, energía y Navier-Stokes. Se trata de las ecuaciones de Navier-Stokes, un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales que describen el comportamiento de los fluidos. En flujos sencillos, las ecuaciones de Navier-Stokes pueden reducirse a otras que permiten soluciones analíticas, por ejemplo, las ecuaciones del fluido de Bernoulli.

Sin embargo, la mayoría de los casos reales de ingeniería no implican flujos simples. Por ello, la dinámica de fluidos computacional (CFD) sustituye las geometrías complejas con miles (incluso millones) de elementos conocidos y los sistemas de ecuaciones diferenciales parciales por un conjunto de ecuaciones algebraicas aproximadas.

La gran mayoría de los programas informáticos utilizados en estas simulaciones emplean el método de volúmenes finitos. Así, cada celda puede considerarse un pequeño volumen de control en el que se resuelven las versiones discretizadas de las ecuaciones. En otras situaciones, un análisis bidimensional puede resultar más práctico y eficaz, utilizando pequeñas áreas como celdas.

Simulaciones CFD

A partir de los conocimientos físicos y matemáticos mencionados, se pueden utilizar diversos programas informáticos disponibles en el mercado para obtener los resultados deseados. Es posible obtener distribuciones de velocidad, presión y temperatura de un fluido en una tubería; analizar las fuerzas aerodinámicas e hidrodinámicas que actúan sobre un edificio; cuantificar el calor perdido por los equipos de una planta industrial; entre otras muchas aplicaciones.

Figura 1: Simulación de presión y velocidad en una región de turbulencia - FUENTE: Kot Collection.

Más que simular el comportamiento de un fluido, es esencial interpretar correctamente sus resultados. La simulación CFD puede utilizarse en diversos casos en los que la experimentación puede resultar inviable o en los que los costes de los modelos a escala real son prohibitivos. Es una técnica de simulación que requiere conocimientos técnicos para que los análisis generen buenos resultados con bajos costes computacionales.

Kot destaca en el mercado nacional e internacional por ofrecer servicios de ingeniería de alto nivel a grandes empresas. Contacte con nuestro equipo para más información.

Siga nuestras páginas en LinkedIn, Facebook e Instagram para estar al día de nuestros contenidos.

Referencias:

[1] ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M. Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. AMGH Publishing, 2012.