Análisis CFD

Tipos de flujo estudiados

Después de terminar mi último curso en mi universidad en marzo de 2017, empecé a trabajar individualmente con mi anterior Profesor de Mecánica de Fluidos, Dr. Armando Blanco, quien está a cargo de varias tesis y proyectos relacionados con CFD en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la universidad . Trabajando esos cuatro (4) meses con él, aprendí a ejecutar estudios de Dinámica de Fluidos Computacional de varios casos de flujo. Los programas que usé fueron los siguientes:

-SALOME para Generación de Geometría, Mallas y Post-Resultados.
-Code Saturne para Cálculos CFD.
-SYRTHES para cálculos de transferencia de calor en sólidos.

Todos los softwares se utilizaron en un entorno Ubuntu. Estos softwares se utilizaron porque tienen la ventaja de ser de código abierto. Los casos específicos que estudié fueron los siguientes:

Creé la geometría para un estudio 2D, y la malla hexaédrica con diferente refinamiento de malla en las direcciones X, Y y Z usando SALOME. Hice una simulación CFD con Code Saturne para flujo constante, laminar, isotérmico, de propiedades constantes con paredes antideslizantes, una pared móvil y planos de simetría. Después de examinar los resultados generales y los de los puntos de monitoreo, los resultados fueron analizados en SALOME.

Abril-Julio 2017

2. Flujo en un ducto

Este es un caso sencillo de flujo laminar a lo largo de un canal 2D, pero es de gran importancia porque cuando hay flujos a lo largo de un canal 2D, con una velocidad relativamente baja, se puede conseguir un estado hidráulico estable tras una cierta distancia. Este estado de flujo estable se denomina flujo hidráulicamente desarrollado.

Es por eso que este caso fue uno de los primeros que estudié. Para el cálculo del CFD, he creado una geometría simple y una malla usando SALOME, con mayor densidad cerca de la entrada y las paredes del conducto.

3. Flujo en un escalón

El flujo sobre un escalón es un buen caso para estudiar la separación y el reunión de flujos turbulentos, los cuales ocurren en muchas aplicaciones prácticas de ingeniería.

El dominio CFD utilizado para este caso consiste en la entrada, el paso hacia atrás y una salida. Un flujo constante turbulento desarrollado entra a través de la entrada, pasa sobre el escalón donde se separa de la frontera y se vuelve a unir a una longitud particular. En primer lugar, el estudio se realizó para un flujo laminar, constante.

Este caso de un buque nuclear simplificado se estudió en dos partes:

I. Unión simple: Utilicé una unión 2D simplificada que incluía una entrada, una salida, paredes y simetrías, donde el flujo entra a través de una entrada caliente en un ambiente frío y luego sale. Esta geometría es una aproximación muy tosca de la rama fría y del tubo descendente del recipiente en un reactor nuclear de agua presurizada. El efecto de la temperatura sobre la densidad del fluido no se tuvo en cuenta en esta parte. Se consideró un flujo laminar constante para la simulación CFD.

II. Dominio completo: El dominio completo representa muy aproximadamente elementos de un reactor nuclear de agua presurizada. Para este caso, fusioné mallas separadas en un solo dominio de fluido, con las características de Code Saturne para acoplamiento de malla y nodos colgantes. Este sub-caso presentó cálculos más complejos, con variables dependientes del tiempo tales como la densidad y la temperatura de entrada. Para la simulación se consideró un flujo turbulento inestable.

6. Buque nuclear simplificado

Para este caso, utilicé la misma geometría y malla del caso 1 (Flujo en cavidad causado por esfuerzo cortante), y corrí una Simulación de CFD en Code Saturne para un flujo laminar viscoso, constante, con consideraciones de transferencia de calor, paredes antideslizantes con una combinación de flujo de calor impuesto y temperatura, planos de simetría, modelo de convección natural y densidad en función de la temperatura. Examiné los archivos de resultados y resultados y los analicé. Además, comparé visual y cuantitativamente los resultados de los casos con los datos disponibles.

5. Cavidad cuadrada calentada

4. Interacción Fluido-Estructura

Este caso se centra en la simulación numérica de la respuesta transversal de un cilindro montado elásticamente y sometido a vibraciones inducidas por vórtices (VIV). El flujo es uniforme y la dinámica mecánica del cilindro es modelada por un simple sistema de masa-resorte. Se toma un flujo sea laminar y un cálculo 2D para captar todas las características del fenómeno. El dominio de cálculo es 2D con una sola celda en la dirección Z. Se estudiaron tres sub-casos: acoplamiento interno, desplazamiento de malla impuesto y velocidad de malla impuesta.

En este caso aprendí a usar las principales características de Code Saturne para cálculos de interacción fluido-estructura. Específicamente, cómo realizar un cálculo en una malla móvil usando el marco ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian); cómo considerar la deformación de la malla y definir adecuadamente los parámetros de las condiciones de contorno para una malla móvil; cómo ligar un cuerpo sólido en el dominio fluido a un sistema de masa-resorte con acoplamiento fluido-estructura; y cómo realizar un post-análisis de los resultados básico relacionado con tales cálculos.

7. Mezcla turbulenta en unión T

Este caso se centra en el modelado de una unión T y es interesante porque en las plantas de energía, la fatiga térmica puede ocurrir en los sistemas de refrigeración de energía que están sometidos a esfuerzos cíclicos. Estas tensiones cíclicas se encuentran generalmente en uniones T donde las corrientes de agua fría y caliente se mezclan y las fluctuaciones turbulentas resultantes crean fluctuaciones térmicas en las paredes.

Creé el dominio computacional y una malla hexaédrica para la unión T con SALOME. Entonces, corrí una simulación de CFD para flujo inestable, viscoso, turbulento, con propiedades variables de fluido y paredes antideslizantes, usando Code Saturne.

8. Acople de CFD y Transferencia de calor en un sólido

Este caso trata sobre una convección natural dentro de una cable con diferentes hilos eléctricos y el objetivo principal fue aprender a utilizar el acoplamiento Code Saturne con un código de conducción térmica y radiación SYRTHES en un problema 2D simplificado.

La configuración 2D es una simplificación de la geometría 3D real de los cables dentro de un cable eléctrico. Los 3 discos en el interior, que son más calientes que el flujo de aire, generan una diferencia de temperatura creando un movimiento de fluido. El flujo de aire más caliente se mueve hacia arriba y el flujo de aire más frío hacia la parte inferior del dominio de fluido.

Para el dominio del fluido, hay dos condiciones de simetría y condiciones de las paredes impuestas a las caras que se acoplan con el dominio sólido. No se impone ninguna velocidad para crear movimiento dentro del área del fluido y se tuvo en cuenta la fuerza de la gravedad, así como una densidad que es variable en función de la temperatura para el flujo de aire.