Qué deberías saber acerca del modelado CFD para seleccionar un software u otro
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Los software para análisis de fluidos e intercambio de calor pueden venir de diferentes formas. Este tipo de software difiere mucho en sus técnicas de de solución numérica y aproximaciones a la física, lo que hace que la selección de uno u otro software sea un reto complicado. El siguiente contenido cubre algunos de los ítems importantes a considerar cuando se selecciona un software de simulación de fluidos.
Mallado y Geometría
Los métodos que emplean volúmenes (elementos) finitos o coordinadas «ajustadas a la geometría» requieren la generación de una malla que se conforma a la geometría de la región del fluidos. No es una tarea trivial generar este tipo de mallas con tamaños y formas aceptables de celda para una solución precisa. En casos complicados, este tipo de generación de malla consumen días o incluso semanas de ordenador. En muchas ocasiones se requiere el empleo de caros malladores externos para generar mallas de calidad. Algunos programas intentan eliminar este problema usando solamente elementos rectangulares, pero entonces la interpretación de la geometría es escalonada adaptándose a las celdas creadas lo cual altera el flujo y el intercambio de calor.
FLOW-3D resuelve ambos problemas empleando mallas rectangulares de fácil creación en las cuales los contornos de geometría se interpretan de forma suave y adaptada a la realidad empleando el método FAVOR™ (fractional area/volume) method. Un sencillo y potente modelador sólido se incluye dentro de FLOW-3D para generar formas geométricas o bien se puede importar datos geométricos de otros programas de CAD.
Ecuaciones de Momento vs. Modelos aproximados de Flujo
Un tratamiento preciso del momentum del fluido es importante por varias razones. La primera es que es la única manera de predecir cómo el fluido evolucionará por geometría compleja. La segunda es que las fuerzas dinámicas generadas por el fluido pueden ser solamente calculadas teniendo en cuenta el momentum.
Finalmente, para calcular el transporte convectivo de energía térmica, es necesario tener una imagen precisa de cómo las partículas individuales de fluido se mueven en relación a otras partículas de fluido y las condiciones de contorno. Esto implica el tratamiento preciso del momentum. Los modelos simplificados que aproximan la conservación de momento no se emplean en FLOW-3D porque no pueden predecir de forma realista la configuración del fluido y las distribución de temperaturas.
Superficie de Intercambio de Calor Líquido-Sólido
La transferencia de calor entre el fluido y el sólido (por ejemplo metal-molde) requiere una estimación precisa del área en contacto. Los modelos que emplean superficies escalonadas, sobrestiman este área; por ejemplo, el área de un cilindro modelizada de forma escalonada queda sobredimensionada un 27%.
Efectos del Volumen de Control sobre la transferencia de calor Líquido-Sólido
El tamaño de los volúmenes de control pueden influenciar el ratio y la cantidad total de calor intercambiado entre el líquido y el sólido porque el calor debe también fluir en los volúmenes de control que contienen interfaz sólido/líquido. En FLOW-3D los tamaños de los volúmenes de control y sus conductividades se tienen en cuenta cuando se calcula la tasa de calor transferido a través de las interfaces líquido-sólido.
Cálculos implícitos y precisión
Los métodos implícitos de cálculo para ecuaciones no lineales y acopladas, requiere una solución iterativa que tienen el carácter de under-relaxation para cada iteración. Este comportamiento puede causar errores significativos (o convergencia muy lenta) en alguna situación, por ejemplo, cuando se usan volúmenes de control con ratios de aspecto muy grandes o cuando se usan métodos implícitos como anticipación de un efecto que no de hecho significativo. En FLOW-3D los métodos numéricos explícitos se usan en todo momento en el que sea posible porque requieren menos esfuerzo computacional de cálculo y sus requerimientos de estabilidad numérica son equivalentes a los requerimientos de precisión. Puede leer más en el artículo Implicit vs. Explicit Numerical Methods
Métodos numéricos implícitos para transporte convectivo
Las técnicas numéricas implícitas que permiten grandes tamaños de time-step arbitrarios que se usan en cálculos son una forma popular de reducir los tiempos de cálculo de CPU. Desafortunadamente, estos métodos no son precisos para procesos convectivos. Los métodos implícitos adquieren independencia del time-step introduciendo efectos difusivos en las ecuaciones de aproximación. La adición de difusión numérica a difusión física, por ejemplo en la conducción térmica, puede que no cause problemas serios ya que solamente modifica el ratio de difusión. Sin embargo, añadir difusión numérica a procesos convectivos cambia completamente el fenómeno físico que se está modelando.
En FLOW-3D los time steps varían automáticamente controlados por el propio software para asegurar aproximaciones en tiempo muy precisas.
Relajación y Parámetros de Convergencia
Los métodos numéricos que usan aproximaciones implícitas también requieren la selección de uno o más parámetros de convergence and relaxation. Realizando una pobre elección de estos parámetros puede llevar a bien divergencias o ratios de convergencia lentos.
Solamente un parámetro de convergencia y un parámetro de relajación es usado en FLOW-3D, y ambos parámetros se seleccionan dinámicamente por el software. Los usuarios no necesitan establecer parámetros que controlen el solver.
Identificación de la lámina libre
Existen 2 métodos para modelizar la interfaz líquido-gas (lámina libre). Uno de estos métodos calculan el flujo tanto en las regiones de gas como en las de líquido y tratan la lámina libre como un cambio brusco en la densidad del fluido.
Normalmente, la discontinuidad de la densidad se modela usando aproximaciones numéricas de orden alto. Desafortunadamente, este tratamiento hace que la lámina libre fluctúe entre una serie de celdas de calculo y no tiene en cuenta un cambio brusco de la velocidad tangencial del flujo que generalmente existe en dicho interfaz. Esta técnica debe además ser suplementada con puntos de escape o sumideros de gas si ha de ser reemplazado por líquido entrando en una región de cálculo. Más aún, estos métodos deben trabajar más duro para satisfacer la incompresibilidad de los fluidos. Esto sucede porque las regiones de gas deben tener unos ajustes de presión casi constantes que tienden a ralentizar el ratio de convergencia de la solución. Una diferente técnica, el Volume-of-Fluid (VOF) method, es empleada en FLOW-3D. Esta es un esqueda de seguimiento de la lámina libre tridimensional real en la cual la interfase se mantiene firmemente como una discontinuidad. Además, se establecen en el interface condiciones de contorno de estrés normales y tangenciales así como fuerzas de tensión superficial.
Las regiones de gas no se calculan a menos que el usuario solicite dicha inclusión.
