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Sin ttulo de diapositiva

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Conceptos b sicos del modelado multidimensional. Posibilidades y limitaciones del c lculo multidimensional ... Si = -1 diferencias avanzadas (forward differencing) ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Sin ttulo de diapositiva


1
  • Introducción
  • Generación de malla
  • Modelo matemático
  • Discretización de las ecuaciones
  • Condiciones de contorno
  • Modelado de la turbulencia
  • Proceso iterativo de resolución
  • Resumen

2
1. Introducción
  • OBJETIVOS
  • Conceptos básicos del modelado multidimensional
  • Posibilidades y limitaciones del cálculo
    multidimensional
  • Ejemplos y aplicaciones del cálculo
    tridimensional

3
1. Introducción
  • Qué es el cálculo CFD?
  • Los códigos CFD son herramientas de cálculo y
    diseño muy potentes, que permiten conocer
    detalles del flujo muy difíciles de obtener con
    otros medios, incluso experimentales.
  • Están basados en la discretización, según la
    técnica de los volúmenes finitos, de las
    ecuaciones de NavierStokes que gobiernan el
    flujo, para un dominio de cálculo.

4
1. Introducción
  • Códigos y modelos
  • Existen diferentes programas comerciales (FIRE,
    STARCD, FLUENT, KIVA) que trabajan con la misma
    filosofía.
  • Estos códigos disponen además de sub-modelos de
    cálculo que permiten resolver distintos
    fenómenos
  • Modelos de chorros evaporación, atomización
  • Modelos de combustión encendido, reacciones
    químicas,
  • Modelos de flujos bifásicos inyección,
    cavitación,...
  • Modelos de turbulencia

5
1. Introducción
  • Ventajas del CFD
  • El cálculo CFD es una muy buena herramienta de
    prediseño que permite reemplazar en algunos casos
    ensayos experimentales costosos.
  • Permite resolver problemas de flujo complejos y
    aporta comprensión de fenómenos difíciles de
    observar y medir.
  • Como tal, se utiliza como una herramienta
    complementaria en el diseño de aeronaves, de
    vehículos (F1, F3, turismos) y de sus elementos.

6
1. Introducción
  • Limitaciones del CFD
  • Para resolver problemas de flujo complejos, como
    es el caso de los F1 y F3, es necesaria una gran
    potencia de cálculo.
  • Las mayores limitaciones vienen dadas por
  • las incertidumbres debidas a los modelos de
    turbulencia
  • el tiempo necesario para realizar la malla y
    para ejecutar el cálculo.
  • Los elementos más importantes (admisión,
    alerones,) se estudian por separado para
    optimizarlos. Luego se junta toda la estructura
    para calcular la aerodinámica completa, con las
    distintas interacciones entre elementos.

7
1. Introducción
  • El proceso de modelar con CFD
  • Existen varios métodos de resolución con CFD,
    siendo los más conocido
  • Diferencias finitas antiguo, utilizado hoy día
    para métodos 1D.
  • Volúmenes finitos el más utilizado para flujos,
    basado en el de las diferencias finitas
    extendidas a 3D.
  • Elementos finitos se utiliza en ciertos
    códigos, es útil para cálculos de interacción
    fluido/estructura.

8
1. Introducción
  • El proceso de modelar con CFD
  • Aquí nos centramos en el método de los volúmenes
    finitos.
  • El modelado CFD se compone de 3 etapas
  • Preproceso o preparación de la malla y del
    cálculo
  • Obtención de la solución por cálculo iterativo
  • Post-proceso o visualización y análisis de la
    solución

9
1. Introducción
  • El pre-proceso
  • Consiste en
  • Generar la malla
  • Fijar las condiciones de contorno
  • Elegir el esquema de discretización y el método
    de resolución más adaptados al caso
  • Fijar las condiciones iniciales

10
1. Introducción
  • Obtención de la solución
  • Consiste en
  • Hacer un estudio de independencia de malla
  • Verificar la influencia del modelo de
    turbulencia, si viene al caso
  • Iterar la solución en el tiempo (cálculo
    transitorio) o por iteraciones pseudo-temporales
    (cálculo estacionario)
  • Verificar la convergencia y estabilidad de la
    solución

11
1. Introducción
  • Post-procesado de la solución
  • Consiste en
  • Analizar la calidad de la solución obtenida
  • Visualizar los campos de velocidad, presión,
    líneas de corriente,
  • Validar la solución por comparación con
    soluciones analíticas o medidas experimentales

12
1. Introducción
  • Factores fundamentales que influyen sobre la
    precisión del modelado
  • Son 3 los factores principales que se deben
    tener en cuenta
  • Calidad y fineza de la malla
  • Esquema de discretización
  • Modelo de turbulencia

13
2. Generación de malla
  • Dominio computacional
  • Es el espacio 2D o 3D definido por la geometría
    en que se va a calcular el flujo

14
2. Generación de malla
  • Realización de la malla
  • A partir de una geometría definida, se divide el
    volumen en pequeñas celdas

15
2. Generación de malla
  • Criterios de calidad de la malla
  • El desarrollo del cálculo y la solución obtenida
    dependerán de la calidad del mallado. Se deben
    controlar 3 aspectos
  • La densidad local de los nodos alta densidad
    implica mayor precisión, pero también mayor
    tiempo de cálculo. Solución adaptación de malla
    en función de gradientes.
  • La homogeneidad (smoothness) de la distribución
    de volúmenes variaciones importantes conlleva
    difusión numérica e imprecisión.
  • La forma de los volúmenes (skewness) triángulos
    no muy cerrados, mallas que siguen la dirección
    del flujo, mallas finas en capa límite, cuidar el
    ratio entre dimensiones (aspect ratio).

16
2. Generación de malla
  • Tipos de mallados
  • Mallado estructurado
  • Es más sencillo de crear (métodos analíticos)
  • Debe seguir las líneas de corriente lo más
    posible
  • La conectividad entre celdas se deduce
    directamente de las coordenadas de los nodos
  • Su estructura rígida hace que se adapte mal a
    geometrías complejas
  • Mallado no estructurado
  • Es más flexible y se adapta mejor en geometrías
    complejas
  • La creación de una buena malla es compleja y
    requiere atención
  • La conectividad entre celdas se ha de crear y
    ocupa memoria
  • El cálculo de los volúmenes de las celdas es más
    complicado

17
3. Modelo matemático
  • Contenido
  • Definiciones
  • Forma conservativa de las ecuaciones de flujo
  • Forma diferencial de las ecuaciones del
    transporte
  • Forma integral de las ecuaciones
  • Ecuaciones del flujo turbulento

18
3. Modelo matemático
  • Definiciones
  • Flujo compresible
  • Se acepta que puede haber variaciones
    relevantes de densidad, es decir, los efectos de
    compresibilidad son importantes.
  • Flujo estacionario
  • Las condiciones de contorno no varían con el
    tiempo, por lo que todas las variables térmicas y
    cinéticas del problema son independientes del
    tiempo.
  • Flujo transitorio
  • Las condiciones de contorno varían con el
    tiempo, por lo que todas las variables térmicas y
    cinéticas del problema se resuelven paso por paso
    temporal.

19
3. Modelo matemático
  • Definiciones (2)
  • Flujo cuasi-estacionario
  • Aunque las variables varían con el tiempo, se
    considera el problema como dividido en pequeños
    intervalos de tiempo, durante los cuales todas
    las variables térmicas y cinéticas del problema
    son independientes del tiempo. Por tanto, se
    resuelve el problema como una sucesión de
    estacionarios.
  • Flujo unidimensional
  • Se acepta que el problema sonte tiene una
    dimensión independiente espacial, es decir, que
    en cualquier sección transversal a esta dimensión
    , las variables térmicas y cinéticas son
    constantes.

20
3. Modelo matemático
  • Forma conservativa de las ecuaciones de un
    fluido compresible laminar y transitorio
  • vector de estado
  • vector de flujos
  • vector de fuerzas externas

21
3. Modelo matemático
  • Conservación de la masa para un fluido
    compresible transitorio

Gasto másico neto que pasa a través de las
fronteras
Tasa de variación temporal de la densidad
  • Para un fluido compresible estacionario
  • Para un fluido incompresible

22
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido
    newtoniano (ec. momento)

Flujo neto del momento que pasa a través de las
fronteras por unidad de volumen (convección)
Suma de las fuerzas de volumen (gravitacional,)
Fuerza de presión
Tasa de incremento temporal del momento por
unidad de volumen
Flujo difusivo debido a la fuerza de cizalla
(viscosidad)
23
3. Modelo matemático
  • Se obtienen a partir de
  • Definición del tensor de los esfuerzos de
    superficie presión cizalla
  • Fluido newtoniano esfuerzos viscosos
    proporcionales a la tasa de deformación del
    volumen de fluido
  • Hipótesis de Stokes para gases en equilibrio
    termodinámico

24
3. Modelo matemático
  • Conservación de la energía
  • Derivada del 1er principio de la termodinámica
  • Tasa de variación de energía de una partícula
    fluida tasa neta de trabajo ejercido en la
    partícula tasa neta de calor añadido a la
    partícula

Flujo de energía debido a la conducción de calor
(Ley de Fourier)
Tasa de trabajo total debido a las fuerzas de
superficie
Tasa de cambio de la energía específica (por
unidad de volumen) de una partícula de fluido
Energía de otras fuentes (ej. Energía potencial
gravitacional)
25
3. Modelo matemático
  • Otra forma de la ecuación de la energía
  • Para flujos compresibles, expresión en función
    de la
  • Entalpía total
  • Derivada de la definición de entalpía
  • y de la entalpía total

26
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de estado
  • Con la hipótesis de equilibrio termodinámico, se
    obtiene un vínculo entre las variables
    termodinámicas
  • Para un gas perfecto, las ecuaciones de estado
    son
  • Para flujo compresible, las ecuaciones de estado
    forman el vínculo entre la ecuación de la energía
    por un lado y las ecuaciones del momento y de
    conservación de la masa por otro lado, debido a
    las variaciones de densidad en función de la
    presión y temperatura.

27
3. Modelo matemático
  • Forma diferencial de la ecuación general del
    transporte
  • Todas las ecuaciones anteriores (salvo las de
    estado) se pueden expresar de forma universal en
    función de la variable de transporte ?

Término difusivo Tasa de incremento de ? debido
a la difusión
Término no-estacionario tasa de incremento de ?
Término fuente Tasa de incremento de ? debido a
otras fuentes
Término de convección tasa neta de flujo de ?
que sale del elemento
28
3. Modelo matemático
  • Forma integral general de la ecuación general del
    transporte
  • Los métodos CFD se basan en la integración de
    las ecuaciones diferenciales del transporte en un
    control de volumen V

Término no-estacionario
Término de convección
Término fuente
Término de difusión
29
3. Modelo matemático
  • Forma integral general de la ecuación general del
    transporte (2)
  • Reemplazando ? y G? se obtienen las ecuaciones
    de conservación de

30
3. Modelo matemático
  • Hipótesis simplificadoras
  • Flujo estacionario
  • Flujo unidimensional
  • Fluido newtoniano de viscosidad constante

Ejemplos Continuidad Cantidad de movimiento
1D
31
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
  • El número adimensional de Reynolds da una medida
    de la importancia relativa entre las fuerzas de
    inercia (efectos de convección) y las fuerzas
    viscosas (efectos de difusión)
  • Para el flujo adquiere un carácter 3D
    caótico turbulento y una variable del flujo
    puede escribirse como suma de una componente
    media estacionaria y de una componente fluctuante
    variable en el tiempo

32
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
    (2)
  • Ecuación de transporte de un escalar ?

Términos de fluctuación turbulenta
  • Aplicando esta hipótesis a la velocidad, presión
    y demás variables de transporte

33
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
    (3)
  • Ecuación de conservación de la masa
  • Ecuaciones de conservación del momento o
    ecuaciones de Reynolds

Tensores de Reynolds (fluctuación turbulenta de
la velocidad)
34
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
    (4)
  • En las ecuaciones de conservación, los términos
    fluctuantes representan nuevas variables
    desconocidas.
  • En las ecuaciones del momento, son seis términos
    adicionales y por tanto se necesitan ecuaciones
    adicionales para cerrar el problema.
  • Actualmente, se puede en ciertos casos muy
    sencillos, resolver las ecuaciones no mediadas,
    es decir con las fluctuaciones turbulentas
    incorporadas (método DNS).
  • En general, se cierra el problema modelando
    estos términos fluctuantes mediante ecuaciones.

35
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
    (5)
  • Los esfuerzos turbulentos aumentan con la tasa
    de deformación media.
  • Los modelos habituales de turbulencia se basan
    en la hipótesis de Boussinesq (1877) que postuló
    que los tensores de Reynolds están relacionados
    con las tasas de deformaciones medias

µt viscosidad turbulenta
  • Por analogía, se modela de manera similar el
    transporte turbulento de las variables escalares
    (masa, calor, energía,) proporcional al valor
    medio de la variable transportada

Gt difusividad turbulenta
36
3. Modelo matemático
  • Ecuaciones de conservación para flujo turbulento
    (6)
  • Las ecuaciones mediadas del momento que se
    obtienen utilizando la hipótesis de Boussinesq se
    denominan ecuaciones RANS (Reynolds Averaged
    Navier-Stokes) y difieren de las ecuaciones del
    flujo laminar sólo en el término viscoso, donde
    se añade la viscosidad turbulenta

µl viscosidad laminar µt viscosidad turbulenta
37
4. Discretización
  • El concepto de discretización

Consiste en una aproximación de la derivada,
tanto en el tiempo como en el espacio
38
4. Discretización
  • El concepto de discretización

Consiste en linealizar las ecuaciones del flujo
mediante aproximaciones de las derivadas de las
variables escalares (presión, densidad,
temperatura) y vectoriales (velocidad), tanto en
el tiempo como en el espacio (volumen de
control) Ejemplo
39
4. Discretización
  • El concepto de discretización (2)

40
4. Discretización
  • El concepto de discretización (3)

La precisión del esquema de discretización
depende del orden de los términos ignorados
41
4. Discretización
  • Tipos de esquemas de discretización espacial
  • Esquemas de 1er orden
  • Más estables y sencillos de resolver. Producen
    difusión numérica, que puede disminuirse a medida
    que se refina el mallado.

42
4. Discretización
  • Tipos de esquemas de discretización espacial(2)
  • Esquemas de 2o orden o mayor
  • Ofrecen mayor precisión a la solución. Por otra
    parte, las ecuaciones son más complejas y pueden
    dar lugar a inestabilidades numéricas.

43
4. Discretización
  • Tipos de esquemas de discretización espacial (3)

44
4. Discretización
  • Discretización temporal

Por integración en el control de volumen
45
4. Discretización
  • Discretización temporal (2)
  • Caso 1D para la conducción de calor
  • Por integración en el control de volumen y en el
    intervalo de tiempo ?t

46
4. Discretización
  • Discretización temporal (3)
  • Asumiendo que la temperatura en un nodo es la
    misma que la del control de volumen

Discretización temporal de primer orden retrasado
(backward differencing)
Temperatura en nodo P en instante t ?t
Temperatura en nodo P en instante t
  • se obtiene

47
4. Discretización
  • Discretización temporal (4)
  • Asumiendo que la temperatura en un nodo varía en
    el tiempo como una función linear
  • se obtiene
  • con

48
4. Discretización
  • Discretización temporal (5)

La forma final de la ecuación discretizada
depende del valor de ?
49
4. Discretización
  • Esquemas de discretización más corrientes

Diferencias avanzadas en el tiempo y
Diferencias centradas en el espacio
Diferencias hacia atrás en el espacio
MÉTODOS DE EULER
ESQUEMAS UPWIND
50
5. Condiciones de contorno
  • Deben asignarse condiciones de contorno a cada
    una de las superficies que limitan el volumen. De
    esta manera el sistema de ecuaciones planteado
    queda cerrado.
  • Existen diferentes tipos de condiciones de
    contorno
  • Pared Superficie impermeable al flujo y con
    velocidad del fluido nula. En el caso de flujo
    turbulento se consideran además los efectos de
    capa límite.
  • Entrada/Salida de flujo En función de las
    propiedades del flujo que se conozcan puede
    expresarse como presión o velocidad. Para flujo
    entrante deben proporcionarse además las
    restantes variables del flujo (temperatura,
    concentración especie, intensidad y disipación
    turbulenta,..)

51
5. Condiciones de contorno
  • Simetría Si existe simetría topológica y física
    en nuestro problema se utiliza la condición de
    plano de simetría. Si la simetría es solo
    geométrica pueden utilizarse condiciones de
    contorno cíclicas.
  • Otras Condiciones particulares en función del
    código utilizado. Por ejemplo, en el caso de los
    MCIA y turbomáquinas se utilizan condiciones que
    permiten el deslizamiento entre mallas.
  • Condiciones de contorno no reflexivas evitan
    las reflexiones de ondas en las fronteras.

52
6. Modelado de la turbulencia
  • Introducción
  • En muchas aplicaciones, es fundamental modelar
    la turbulencia Transferencia de calor,
    combustión, chorros, conductos de admisión, etc
  • Es un fenómeno poco entendido y esto hace que
    haya una gran variedad de modelos, más o menos
    validados.
  • Por tanto, se necesitan criterios para elegir el
    modelo adecuado a cada caso.

53
6. Modelado de la turbulencia
  • Qué es la turbulencia?
  • Movimiento irregular y transitorio en los cuales
    las variables puestas en juego fluctúan en tiempo
    y en espacio.
  • No se puede predecir en detalle.
  • En un mismo flujo coexisten un amplio rango de
    escalas de turbulencia (eddy sizes)

54
6. Modelado de la turbulencia
  • Caracterización de la turbulencia
  • Se define por los parámetros siguientes
  • Energía
  • Energía cinética turbulenta (k) ? f(u2)
  • (u componente fluctuante de u)
  • Intensidad de la turbulencia (I) ? f(u) en
    forma adimensional
  • Disipación / Escala
  • Disipación de la turbulencia (?) (Eddy
    Dissipation Rate)
  • Escala integral (l) (length scale) ? Escala de la
    turbulencia.

55
6. Modelado de la turbulencia
  • Tipos de modelos

56
6. Modelado de la turbulencia
  • Tipos de modelos (2)
  • Se clasifican en
  • DNS (Direct Numerical Simulation)
  • Se resuelve las ecuaciones de Navier Stokes sin
    recurrir al modelado.
  • Muy costoso, requiere mallas extra finas y pasos
    temporales en consecuencia no aplicable
    en la industria.
  • Modelo LES (Large Eddy Simulation)
  • Basado en las ecuaciones del flujo filtradas en
    el espacio.
  • Se resuelve las ecuaciones no estacionarias para
    el flujo medio y para los torbellinos grandes que
    contienen la mayor energía. Se modela los
    torbellinos más pequeños y menos energéticos.

57
6. Modelado de la turbulencia
  • Tipos de modelos (3)
  • Modelos clásicos
  • Basados en las ecuaciones de Navier-Stokes
    mediadas en el tiempo (RANS).
  • Los modelos más utilizados están basados en la
    hipótesis de Boussinesq relación entre el tensor
    de Reynolds y el flujo medio, mediante la
    viscosidad turbulenta (?t)

58
6. Modelado de la turbulencia
  • Clasificación de los modelos clásicos
  • Se clasifican por orden de complejidad
  • Modelos de 0 ó una ecuación muy sencillos,
    empíricos.
  • Modelos de dos ecuaciones los más utilizados.
  • Modelos de tensores de Reynolds RSM (cierre de
    2º orden)
  • Modelos algebraicos del tensor

59
6. Modelado de la turbulencia
  • Modelos de 0 ó una ecuación
  • Modelo de longitud de mezcla
  • La viscosidad cinemática turbulenta (m2/s) se
    expresa como el producto de una escala de
    velocidad turbulenta (m/s) por una escala de
    longitud (m)

longitud característica de los torbellinos
grandes escala de velocidad turbulenta
  • Se relaciona la escala de velocidad turbulenta
    con las propiedades del flujo medio

60
6. Modelado de la turbulencia
  • Modelos de 0 ó una ecuación (2)
  • Modelo de Spalart Allmaras
  • Se resuelve una sola ecuación de transporte para
    la viscosidad turbulenta cinemática
  • Desarrollado para flujos confinados (ej.
    turbomáquinas)
  • Se utiliza sobre todo para bajos Re.
  • Se comporta bien en capas límites sometidas a
    gradientes adversos (flujo separado)
  • Económico

61
6. Modelado de la turbulencia
  • Modelos de 2 ecuaciones
  • Modelos k-?
  • Se resuelven dos ecuaciones de transporte
    adicionales para determinar la velocidad
    turbulenta y la escala integral separadamente.
  • La 1ª es la ecuación de producción de energía
    cinética turbulenta (k) y parte directamente de
    la ecuación exacta.
  • La 2ª (?) es la ecuación de disipación de la
    energía turbulenta y se modela mediante una
    ecuación similar empírica.
  • Bastante económicos.
  • Se han validado para numerosas aplicaciones,
    sobre todo para flujos turbulentos bien
    desarrollados (Re alto).
  • No se comportan bien en flujos separados
    (gradientes adversos)
  • Se basan en la isotropía de la turbulencia.

62
6. Modelado de la turbulencia
  • Modelos de 2 ecuaciones (2)
  • Existen variantes del modelo k-?
  • Modelo RNG k-?
  • Flujos con swirl
  • Se comportan bien para flujos con gradientes
    adversos
  • Fórmula analítica para la viscosidad efectiva
    que permite tener en cuenta los efectos de bajo
    Re
  • Esto requiere el uso de funciones de pared
  • Modelo k-? realizable
  • Nueva formulación de la ecuación k y ecuación ?
    basada en la fluctuación media de la vorticidad
  • Realizable responde a ciertas exigencias de los
    tensores de Reynolds consistentes con la física
    de los flujos turbulentos
  • Flujos con rotación, con gradientes adversos,
    separados
  • Chorros

63
6. Modelado de la turbulencia
  • Leyes de pared
  • Cuando la malla cerca de la pared es
    suficientemente fina para resolver la sub-capa
    límite laminar, el esfuerzo cortante en la pared
    se expresa en función de la relación
    esfuerzo-deformación laminar
  • Cuando la malla cerca de la pared no es
    suficientemente fina para resolver la sub-capa
    límite laminar, se aplica una ley de pared
    logarítmica

y ? E
Velocidad turbulenta
Distancia a la pared
Constante de Von Kárman0.4187
Constante 9.793
64
6. Modelado de la turbulencia
  • Modelos RSM (tensores de Reynolds)
  • No asumen isotropía de la turbulencia.
  • Son modelos más físicos se resuelve una
    ecuación de transporte para cada uno de los 6
    tensores de Reynolds .
  • Además se resuelve una ecuación para la
    disipación de energía turbulenta e, asumiendo
    isotropía de los torbellinos pequeños.
  • Son más complejos y tienen un coste computacional
    mayor.

65
7. Método de resolución
  • Mediante la discretización, se obtiene un
    sistema de ecuaciones lineales que se han de
    resolver de manera iterativa, con algoritmos
    complejos.
  • Existen distintos tipos de algoritmos de
    resolución en función del tipo de ecuaciones
    (flujo incompresible/compresible, estacionario
    /transitorio, viscoso/no viscoso).
  • Los códigos permiten seleccionar distintos
    esquemas de cálculo para la discretización
    temporal y espacial, así como distintos
    algoritmos de resolución.
  • Durante el cálculo, se han de cumplir condiciones
    de estabilidad numérica que limitan el paso
    temporal de avance de la solución.
  • Se cesa el proceso iterativo cuando se cumplen
    condiciones de convergencia del cálculo en el
    caso de estacionarios, cuando la solución ya no
    cambia en el caso de transitorios, cuando se ha
    agotado el tiempo durante el cual dura el proceso
    a estudiar.

66
7. Método de resolución
  • Ejemplo del algoritmo pressure correction
  • Utilizando una malla de tipo staggered
    (volumenes de control escalonados para
    componentes de velocidad y variables escalares
    (presión, ), se obtiene las ecuaciones
    discretizadas del momento

67
  • Método de resolución SIMPLE

Paso 1 resolver las ecuaciones del momento
discretizadas
Condiciones iniciales asumidas p, u, v, F
u, v
Paso 2 resolver la ecuación de corrección de la
presión
p
Paso 3 corregir la presión y las componentes de
velocidad
Imponer como nuevas variables para la siguiente
iteración p, u, v, F
p, u, v, F
Paso 4 resolver las demás ecuaciones de
transporte discretizadas
F
SI
NO
Convergencia?
STOP
68
  • Método de resolución SIMPLE transitorio

Fijar un paso de tiempo ?t
Iteración sobre el tiempo
Condiciones iniciales asumidas en el instante
t0 p(t0), u(t0), v(t0), F(t0)
Imponer como nuevas variables para la siguiente
iteración p (tn-1), u (tn-1), v (tn-1), F
(tn-1)
Iteración SIMPLE hasta convergencia
SI
NO
?
STOP
69
7. Método de resolución
  • Criterio de estabilidad para esquemas temporales
    explícitos o semi-implícitos
  • Se define por el número de Courant
    Friedrichs-Lewy
  • ?max es la velocidad característica máxima de la
    perturbación.
  • En general, la solución es estable para

70
7. Método de resolución
  • Criterios de convergencia
  • Se definen los residuales de las ecuaciones como
  • DT C - D GP R
  • En cálculos estacionarios, la solución se da por
    convergida cuando los residuales son inferiores à
    10e-4.
  • Se requiere en general un criterio adicional que
    asegure que la solución no cambia con más
    iteraciones por ej. velocidad media a la salida
    no varía ya.
  • En cálculos transitorios, se define el tiempo de
    cálculo y se estudia la evolución temporal de la
    solución.

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8. Resumen
  • Los métodos CFD basados en los volúmenes finitos
    consisten en
  • Reducir la expresión compleja de las ecuaciones
    de fluidos (continuidad, momento, energía,
    estado) a ecuaciones linealizadas más sencillas
    (discretización), que se resuelven numéricamente
    de manera iterativa.
  • Obtener soluciones numéricas de problemas de
    flujos para geometrías definidas por una malla de
    celdas.
  • Permiten simular distintas condiciones de
    funcionamiento, con gran flexibilidad,
    reemplazando experimentos de prediseño costosos.
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