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Guía docente 2017-18 - 13412018 - Simulación de flujos industriales
TITULACIÓN: | Grado en Ingeniería mecánica (13412018) |
CENTRO: | ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (JAÉN) |
TITULACIÓN: | Doble Grado en Ingeniería eléctrica e Ingeniería mecánica (13612026) |
CENTRO: | ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (JAÉN) |
TITULACIÓN: | Doble Grado en Ingeniería mecánica e Ingeniería de organización industrial (13812028) |
CENTRO: | ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (JAÉN) |
CURSO: | 2017-18 |
ASIGNATURA: | Simulación de flujos industriales |
NOMBRE: Simulación de flujos industriales | |||||
CÓDIGO: 13412018 (*) | CURSO ACADÉMICO: 2017-18 | ||||
TIPO: Obligatoria | |||||
Créditos ECTS: 6.0 | CURSO: 4 | CUATRIMESTRE: PC | |||
WEB: http://dv.ujaen.es/docencia/goto_docencia_crs_433399.html |
NOMBRE: BOHORQUEZ RODRIGUEZ DE MEDINA, PATRICIO | ||
IMPARTE: Teoría - Prácticas [Profesor responsable] | ||
DEPARTAMENTO: U121 - INGENIERÍA MECÁNICA Y MINERA | ||
ÁREA: 600 - MECÁNICA DE FLUIDOS | ||
N. DESPACHO: A3 - 073 | E-MAIL: prmedina@ujaen.es | TLF: 953212872 |
TUTORÍAS: https://uvirtual.ujaen.es/pub/es/informacionacademica/tutorias/p/92206 | ||
URL WEB: http://blogs.ujaen.es/prmedina | ||
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9387-9138 |
Muchos de los problemas fluidomecánicos de interés industrial no se pueden tratar de forma analítica debido a su complejidad, por lo que la simulación numérica de los mismos se presenta como una alternativa de gran interés. El crecimiento exponencial de la potencia computacional de los ordenadores personales observado en los últimos años posibilita el uso de la Mecánica de Fluido Computacional en las etapas de diseño, cálculo y optimización de instalaciones industriales, turbomáquinas hidráulicas, elementos aerodinámicos, aerogeneradores y sistemas de inyección de combustible, entre otros numerosos ejemplos de aplicación. Completando esta asignatura, el alumno estará capacitado para enfrentarse a la resolución de problemas reales de interés industrial.
Así, Simulación de Flujos Industriales se presenta de manera pionera como una asignatura que permitirá al alumno adquirir los conocimientos básicos sobre los que se asienta la Mecánica de Fluidos Computacional y aprender a resolver problemas de interés industrial mediante el uso de software comercial empleado en las empresas más relevantes a nivel mundial. Esta asignatura complementa la titulación y presenta herramientas alternativas a las aprendidas en Mecánica de Fluidos, Máquinas e Instalaciones de Fluidos, Ingeniería Térmica y Máquinas Térmicas. Así mismo, las técnicas y medotodologías presentadas serán de interés para las asignaturas Fluidomecánica Industrial y Energía Hidráulica y Eólica.
La asignatura se enmarca en el curso y cuatrimestre indicado en la sección 1. DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA de la guía docente (Materia Ingeniería Térmica y de Fluidos Avanzada).
Se recomienda haber cursado con éxito las asignaturas de Mecánica de Fluidos y Máquinas e Instalaciones de Fluidos.
El alumnado que presente necesidades específicas de apoyo educativo, lo ha de notificar personalmente al Servicio de Atención y Ayudas al Estudiante para proceder a realizar, en su caso, la adaptación curricular correspondiente.Código | Denominación de la competencia |
CB1R | Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio. |
CB2R | Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio. |
CB3R | Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética. |
CB4R | Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado. |
CB5R | Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía. |
CBB1R | Capacidad para la resolución de los problemas matemáticos que puedan plantearse en la ingeniería. Aptitud para aplicar los conocimientos sobre: álgebra lineal; geometría; geometría diferencia; cálculo diferencial e integral; ecuaciones diferenciales y en derivadas parciales; métodos numéricos; algorítmica numérica; estadística y optimización. |
CBB3R | Conocimientos básicos sobre el uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería. |
CC2R | Conocimientos de los principios básicos de la mecánica de fluidos y su aplicación a la resolución de problemas en el campo de la ingeniería. Cálculo de tuberías, canales y sistemas de fluidos. |
CEM6 | Conocimiento aplicado de los fundamentos de los sistemas y máquinas fluidomecánicas. |
CT4 | Capacidad para aplicar nuevas tecnologías incluidas las tecnologías de la información y la comunicación. |
CT6 | Capacidad para la transmisión oral y escrita de información adaptada a la audiencia. |
Resultados de aprendizaje | |
Resultado 44 | Adquirir conocimientos básicos en simulación de flujos industriales |
Resultado 45 | Se adquirirán los conocimientos teóricos fundamentales en la discretización de las ecuaciones de Navier-Stokes |
Resultado 46 | Se aprenderán métodos de mallado computacional pensados exclusivamente para la simulación numérica de flujos industriales, así como conceptos básicos de mallas móviles |
Resultado 47 | El estudiante aprenderá técnicas concretas de simulación de flujos turbulentos |
Resultado 48 | Aprendizaje de uno de los software industriales que actualmente más se aplica en el I+D+I en la empresa a nivel mundial |
Resultado 49 | Tener capacidad para aplicar los conocimientos adquiridos en aplicaciones reales industriales. Se resolverán en clase problemas industriales reales |
Introducción: Motivación
y ejemplos. Tratamiento matemático de los problemas
termofluidodinámicos. Metodología de la
simulación numérica de flujos industriales.
Ecuaciones de la Mecánica de Fluidos: Repaso de las
leyes de conservación en forma diferencial e integral.
Flujo ideal y ecuaciones de la capa límite.
Clasificación de las ecuaciones en derivadas parciales.
Condiciones de contorno. Transformaciones de coordenadas
específicas en mecánica de fluidos computacional.
Técnicas de discretización: Mallas
computacionales. Diferencias finitas. Discretización
conservativa. Volúmenes finitos. Elementos finitos y
métodos espectrales.
Esquemas numéricos para ecuaciones parabólicas.
Error de truncamiento local y consistencia del esquema
numérico. Estabilidad y convergencia de la solución.
Técnicas de resolución de sistemas de
ecuaciones algebraicas: Caso concreto de aplicación a la
ecuación de Navier Stokes. Introducción al
manejo del programa comercial GAMBIT para la generación
de mallas: Mallas estructuradas
CONTENIDOS DETALLADOS
1. Introducción.
- Planificación de la asignatura, bibliografía y criterios de evaluación.
- Motivación y ejemplos de simulación de flujos industriales (aerodinámica externa, piping, motor de combustión interna, sistema de inyección de combustible, cojinete de empuje, entre otros).
- Orígenes de la Mecánica de Fluidos Computacional (MFC).
- Modelado y tratamiento matemático de los problemas termofluidodinámicos. Metodología de la simulación numérica de flujos.
2. Fundamentos de las ecuaciones de la Mecánica de Fluidos.
- Ecuaciones monofásicas de flujos incompresibles y compresibles.
- Leyes de conservación en forma diferencial e integral. Sistemas de coordenadas específicos en MFC.
- Condiciones iniciales y de contorno.
- Casos simplificados: ecuaciones de flujo ideal y capa límite.
- Clasificación de las ecuaciones en derivadas parciales de segundo orden y formas canónicas.
3. Fundamentos de las técnicas de discretización.
- Diferencias finitas. Molécula computacional. Derivación de fórmulas de diferencias finitas. Error de la fórmula de diferencias finitas. Mallas uniformes y no uniformes.
- Resolución numérica de ecuaciones modelo: problema de contorno, ecuaciones parabólicas, elípticas e hiperbólicas.
- Error de truncamiento local y consistencia del esquema numérico. Estabilidad y convergencia.
- Otros métodos numéricos: volúmenes finitos, elementos finitos y métodos espectrales.
5. Técnicas de mallado.
- Clasificación y topología de mallas. Mallas estructuradas y no estructuradas, multibloque, overset, chimera, entre otras.
- Programas comerciales y open source para la generación de mallas. Evolución de malladores manuales (Gambit) a malladores automáticos poliédricos y hexaédricos.
- Mallas fijas y mallas móviles.
6. Simulación de flujos industriales mediante software de índole industrial.
- Fundamentos numéricos del método de volúmenes finitos y aplicación a la ecuación estándar de transporte escalar en forma conservativa. Implementación en Ansys Fluent. Resolución de ecuaciones algebraicas para Navier-Stokes.
- Flujo monofásico incompresible. Estado estacionario. Métodos acoplados frente a segregados.
- Flujo laminar (de capa límite) sobre una placa plana. Comparativa con la solución de Blasius e integral de Von Karman.
- Flujo monofásico compresible. Régimen subsónico. Régimen supersónico.
- Simulación de flujos turbulentos. Solución de capa límite turbulenta sobre placa plana y funciones de pared. Determinación del campo de presiones y velocidades alrededor del perfil de un ala de avión.
- Otros casos de interés: transferencia de calor, mallas móviles y flujos multifásicos. Simulación del flujo en una turbomáquina.
7. Técnicas de post-procesado.
- Campos de velocidad, presión, líneas de corriente, etc.
- Cálculo de fuerzas sorbe superficies sólidas.
- Análisis en frecuencia.
- Generación de animaciones.
Se realizarán prácticas durante el curso disponiéndose de más información en Docencia Virtual.
ACTIVIDADES | HORAS PRESENCIALES | HORAS TRABAJO AUTÓNOMO | TOTAL HORAS | CRÉDITOS ECTS | COMPETENCIAS (códigos) |
---|---|---|---|---|---|
A1 - Clases expositivas en gran grupo
|
45.0 | 67.5 | 112.5 | 4.5 |
|
A2R - Clases en pequeño grupo
|
10.0 | 15.0 | 25.0 | 1.0 |
|
A3 - Tutorías colectivas/individuales
|
5.0 | 7.5 | 12.5 | 0.5 |
|
TOTALES: | 60.0 | 90.0 | 150.0 | 6.0 |
Se llevarán a cabo exposiciones teóricas y, seguidamente, la resolución de problemas prácticos que ilustren la aplicación de las mismas. Se plantearán problemas canónicos que se resolverán con ayuda de Matlab así como problemas de índole industrial a resolver con software comercial (e.g. Ansys Fluent). Se dispondrá más información sobre éstos en la carpeta Prácticas/Trabajo ubicada en Docencia Virtual.
ASPECTO | CRITERIOS | INSTRUMENTO | PESO |
---|---|---|---|
Asistencia y/o participación en actividades presenciales y/o virtuales | Correcta intervención del estudiante en clase | Observación y notas del profesor | 5.0% |
Conceptos teóricos de la materia | Dominio del contenido teórico y práctico | Prueba escrita y/o computerizada | 50.0% |
Realización de trabajos, casos o ejercicios | Correcta resolución de los trabajos propuestos. Claridad de la presentación y exposición de los mismos | Memoria del trabajo a realizar | 20.0% |
Prácticas de laboratorio/campo/uso de herramientas TIC | Asistencia y realización de las sesiones de prácticas en el aula de informática | Asistencia y evaluación de las prácticas realizadas | 25.0% |
Se debe atender a las sesiones prácticas. Para superar la asignatura es imprescindible obtener una nota igual o superior a 5 sobre 10 en la Prueba escrita y/o computerizada. En ella se evaluarán, entre otras competencias, CBB1R, CBB3R, CC2R, CT6 y CEM6. La asistencia y evaluación de las prácticas realizadas se realizará mediante control de asistencia y entrega de una memoria con la solución de los problemas planteados (CBB3R, CT4, CT6 y CEM6). Se planterá un trabajo a resolver de manera individual del que se deberá entregar la solución detallada y bien presentada (CBB3R, CT4, CT6, CEM6 y CB1R-CB5R). El resto de la calificación corrresponde a la asistencia y participación del alumnado (CC2R, CT4, entre otras).
- Análisis númerico. Edición: 9ª ed. Autor: Burden, Richard L.. Editorial: México: International Thomson Editores, 2011 (C. Biblioteca)
- Análisis numérico Las mátematicas del cálculo científico. Edición: -. Autor: Kincaid, David. Editorial: Argertina [etc.]: Addison-Wesley Iberoamericana, cop. 1994 (C. Biblioteca)
- Computational fluid dynamics: the basics with applications. Edición: -. Autor: Anderson, John David. Editorial: New York [etc.]: McGraw-Hill, cop. 1995 (C. Biblioteca)
- Finite difference methods for ordinary and partial differential equations: steady-state and time-dep. Edición: -. Autor: LeVeque, Randall J.. Editorial: Philadelphia, PA : Society for Industrial and Applied Mathematics, c2007 (C. Biblioteca)
- Computational methods for fluid dynamics. Edición: 3rd, rev. ed. Autor: Ferziger, Joel H.. Editorial: Berlin [etc.]: Springer, cop. 2002 (C. Biblioteca)
- An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method . Edición: -. Autor: Versteeg, Henk Kaarle. Editorial: Harlow [etc.] : Pearson-Prentice Hall, 2007. (C. Biblioteca)
- Computational fluid dynamics. Edición: -. Autor: Chung, T. J.. Editorial: Cambridge [etc.]: Cambridge University Press, 2006 (C. Biblioteca)
- Numerical simulation in fluid dynamics: a prectical introduction . Edición: -. Autor: Griebel, Michael. Editorial: Philadelphia : Society for Industrial and Applied Mathematics, 1998 (C. Biblioteca)
- Técnicas numéricas en ingeniería de fluidos . Edición: -. Autor: Fernández Oro, Jesús Manuel. Editorial: Barcelona : Reverté, cop. 2012 (C. Biblioteca)
- Mecánica de fluidos. Edición: 2ª ed.. Autor: Fernández Feria, Ramón. Editorial: Málaga : Servicio de Publicaciones e Intercambio Científico de la Universidad de Málaga, D.L. 2005 (C. Biblioteca)
- Mecánica de fluidos. Edición: -. Autor: Crespo Martínez, Antonio. Editorial: Madrid: Thomson, 2006 (C. Biblioteca)
- Introducción al método de volúmenes finitos. Edición: -. Autor: Vázquez Cendón, María Elena. Editorial: Santiago de Compostela : Universidade, 2008 (C. Biblioteca)
- Numerical heat transfer and fluid flow . Edición: -. Autor: Patankar, Suhas V.. Editorial: Washington ; London : Taylor & Francis, 2009 (C. Biblioteca)
- Principles of computational fluid dynamics . Edición: -. Autor: Wesseling, P.. Editorial: Berlin [etc.] : Springer, 2001 (C. Biblioteca)
Semana | A1 - Clases expositivas en gran grupo | A2R - Clases en pequeño grupo | A3 - Tutorías colectivas/individuales | Trabajo autónomo | Observaciones | |
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Nº 1 11 - 17 sept. 2017 |
3.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | Las Tutorías Colectivas se celebrarán los Miércoles. | |
Nº 2 18 - 24 sept. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 3 25 sept. - 1 oct. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 4 2 - 8 oct. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 5 9 - 15 oct. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 6 16 - 22 oct. 2017 |
3.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | ||
Nº 7 23 - 29 oct. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 8 30 oct. - 5 nov. 2017 |
3.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | ||
Nº 9 6 - 12 nov. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 10 13 - 19 nov. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 11 20 - 26 nov. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 12 27 nov. - 3 dic. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 13 4 - 10 dic. 2017 |
3.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | ||
Nº 14 11 - 17 dic. 2017 |
3.0 | 1.0 | 0.0 | 0.0 | ||
Nº 15 18 - 21 dic. 2017 |
3.0 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | ||
Total Horas | 45.0 | 10.0 | 5.0 | 0.0 |