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
21. Introducción
- OBJETIVOS
- Conceptos básicos del modelado multidimensional
- Posibilidades y limitaciones del cálculo
multidimensional - Ejemplos y aplicaciones del cálculo
tridimensional
31. 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.
41. 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
51. 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.
61. 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.
71. 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.
81. 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
91. 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
101. 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
111. 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
121. 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
132. Generación de malla
- Dominio computacional
- Es el espacio 2D o 3D definido por la geometría
en que se va a calcular el flujo
142. Generación de malla
- Realización de la malla
- A partir de una geometría definida, se divide el
volumen en pequeñas celdas
152. 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).
162. 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
173. 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
183. 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.
193. 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.
203. Modelo matemático
- Forma conservativa de las ecuaciones de un
fluido compresible laminar y transitorio
- vector de fuerzas externas
213. 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
223. 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)
233. Modelo matemático
- 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
243. 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)
253. 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
263. Modelo matemático
- 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.
273. 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
283. 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
293. Modelo matemático
- Forma integral general de la ecuación general del
transporte (2)
- Reemplazando ? y G? se obtienen las ecuaciones
de conservación de
303. Modelo matemático
- Hipótesis simplificadoras
- Flujo estacionario
- Flujo unidimensional
- Fluido newtoniano de viscosidad constante
Ejemplos Continuidad Cantidad de movimiento
1D
313. 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
323. 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
333. 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)
343. 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.
353. 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
363. 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
374. Discretización
- El concepto de discretización
Consiste en una aproximación de la derivada,
tanto en el tiempo como en el espacio
384. 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
394. Discretización
- El concepto de discretización (2)
404. Discretización
- El concepto de discretización (3)
La precisión del esquema de discretización
depende del orden de los términos ignorados
414. 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.
424. 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.
434. Discretización
- Tipos de esquemas de discretización espacial (3)
444. Discretización
Por integración en el control de volumen
454. 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
464. 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
474. Discretización
- Discretización temporal (4)
- Asumiendo que la temperatura en un nodo varía en
el tiempo como una función linear
484. Discretización
- Discretización temporal (5)
La forma final de la ecuación discretizada
depende del valor de ?
494. 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
505. 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,..)
515. 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.
526. 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.
536. Modelado de 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)
546. 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.
556. Modelado de la turbulencia
566. Modelado de la turbulencia
- 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.
576. Modelado de la turbulencia
- 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)
586. 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
596. 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
606. 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
616. Modelado de la turbulencia
- 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.
626. 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
636. 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
646. 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.
657. 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.
667. 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
697. 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
707. 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.
718. 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.