Universidad de Jaén

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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.

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.