Universidad de Jaén

Menú local

Guía docente 2018-19 - 14612018 - Simulación de flujos industriales

TITULACIÓN: Grado en Ingeniería mecánica (14612018)
CENTRO: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (LINARES)

TITULACIÓN: Doble Grado en Ingeniería eléctrica e Ingeniería mecánica (14812028)
CENTRO: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR (LINARES)

CURSO ACADÉMICO: 2018-19
GUÍA DOCENTE
1. DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA
NOMBRE: Simulación de flujos industriales
CÓDIGO: 14612018 (*) CURSO ACADÉMICO: 2018-19
TIPO: Obligatoria
Créditos ECTS: 6.0 CURSO: 4 CUATRIMESTRE: PC
WEB: http://dv.ujaen.es/docencia/goto_docencia_crs_433267.html
 
2. DATOS BÁSICOS DEL PROFESORADO
NOMBRE: RUBIO RUBIO, MARIANO
IMPARTE: Teoría - Prácticas [Profesor responsable]
DEPARTAMENTO: U121 - INGENIERÍA MECÁNICA Y MINERA
ÁREA: 600 - MECÁNICA DE FLUIDOS
N. DESPACHO: D - 009 E-MAIL: mrubio@ujaen.es TLF: -
TUTORÍAS: https://uvirtual.ujaen.es/pub/es/informacionacademica/tutorias/p/251033
URL WEB: -
 
NOMBRE: GARCÍA BAENA, CARLOS
IMPARTE: Teoría
DEPARTAMENTO: U121 - INGENIERÍA MECÁNICA Y MINERA
ÁREA: 600 - MECÁNICA DE FLUIDOS
N. DESPACHO: - E-MAIL: - TLF: -
TUTORÍAS: https://uvirtual.ujaen.es/pub/es/informacionacademica/tutorias/p/100428
URL WEB: -
 
3. PRERREQUISITOS, CONTEXTO Y RECOMENDACIONES
PRERREQUISITOS:
-
CONTEXTO DENTRO DE LA TITULACIÓN:

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).

RECOMENDACIONES Y ADAPTACIONES CURRICULARES:

Se recomienda haber cursado con éxito las asignaturas 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.
4. COMPETENCIAS Y RESULTADOS DE APRENDIZAJE
código Denominación de la competencia
CB1 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.
CB2 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.
CB3 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.
CB4 Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado.
CB5 Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.
CBB1 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.
CBB3 Conocimientos básicos sobre el uso y programación de los ordenadores, sistemas operativos, bases de datos y programas informáticos con aplicación en ingeniería.
CC2 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 Resul-44 Adquirir conocimientos básicos en simulación de flujos industriales
Resultado Resul-45 Se adquirirán los conocimientos teóricos fundamentales en la discretización de las ecuaciones de Navier-Stokes
Resultado Resul-46 Se aprenderán métodos de mallado computacional pensados exclusivamente para la simulación numérica de flujos industriales, así como conceptos básicos de mallas móviles
Resultado Resul-47 El estudiante aprenderá técnicas concretas de simulación de flujos turbulentos
Resultado Resul-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 Resul-49 Tener capacidad para aplicar los conocimientos adquiridos en aplicaciones reales industriales. Se resolverán en clase problemas industriales reales
5. CONTENIDOS

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.

6. METODOLOGÍA Y ACTIVIDADES
ACTIVIDADES HORAS PRESEN­CIALES HORAS TRABAJO AUTÓ­NOMO TOTAL HORAS CRÉDITOS ECTS COMPETENCIAS (códigos)
A1 - Clases expositivas en gran grupo
  • M1 - Clases expositivas en gran grupo: Clases magistrales
  • M2 - Clases expositivas en gran grupo: Exposición de teoría y ejemplos generales
45.0 67.5 112.5 4.5
  • CB1
  • CB2
  • CB3
  • CB4
  • CB5
  • CBB1
  • CBB3
  • CC2
  • CEM6
  • CT4
A2 - Clases en grupos de prácticas
  • M10 - Clases en grupos de prácticas: Aulas de informática
  • M11 - Clases en grupos de prácticas: Resolución de ejercicios
  • M12 - Clases en grupos de prácticas: Presentaciones/Exposiciones
  • M6 - Clases en grupos de prácticas: Actividades prácticas
  • M7 - Clases en grupos de prácticas: Seminarios
  • M9 - Clases en grupos de prácticas: Laboratorios
10.0 15.0 25.0 1.0
  • CB1
  • CB2
  • CB3
  • CB4
  • CB5
  • CBB1
  • CBB3
  • CEM6
  • CT4
A3 - Tutorias Colectivas
  • M14 - Tutorias Colectivas/Individuales: Supervisión de trabajos dirigidos
  • M15 - Tutorias Colectivas/Individuales: Seminarios
  • M17 - Aclaración de dudas
  • M18 - Tutorias Colectivas/Individuales: Comentarios de trabajos individuales
5.0 7.5 12.5 0.5
  • CB3
  • CEM6
  • CT4
  • CT6
TOTALES: 60.0 90.0 150.0 6.0  
 
INFORMACIÓN DETALLADA:

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).

7. SISTEMA DE EVALUACIÓN
 
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 y del resto de estudiantes 5.0%
Conceptos teóricos de la materia Dominio del contenido teórico y práctico Prueba escrita y/o ordenador 55.0%
Realización de trabajos, casos o ejercicios Correcta resolución de los trabajos propuestos. Claridad de presentación y exposición. Memoria de prácticas de laboratorio y entrega de trabajos 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 20.0%
El sistema de calificación se regirá por lo establecido en el RD 1125/2003 de 5 de septiembre por el que se establece el sistema europeo de créditos y el sistema de calificaciones en la titulaciones universitarias de carácter oficial
INFORMACIÓN DETALLADA:

Se debe asistir a las sesiones prácticas. Para superar la asignatura es imprescindible obtener una nota igual o superior a 4 sobre 10 en la Prueba escrita y/o computerizada. En ella se evaluarán, entre otras competencias, CB1, CB3, CC2, 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 (CB3, CT4, CT6 y CEM6). Se planterá un trabajo a resolver de manera individual del que se deberá entregar la solución detallada y bien presentada (CB3, CT4, CT6 y CEM6). El resto de la calificación corrresponde a la asistencia y participación del alumno (CC2, CT4, entre otras).

8. DOCUMENTACIÓN / BIBLIOGRAFÍA
ESPECÍFICA O BÁSICA:
  • 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: 2nd ed.. Autor: Chung, T.J.. Editorial: New York : Cambridge University Press, 2014  (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: Oro, Jesús Manuel. Editorial: Barcelona : Reverté, cop. 2012  (C. Biblioteca)
  • 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)
GENERAL Y COMPLEMENTARIA:
  • 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 &#59; London : Taylor & Francis, 2009  (C. Biblioteca)
  • Principles of computational fluid dynamics. Edición: -. Autor: Wesseling, P.. Editorial: Berlin [etc.] : Springer, 2001  (C. Biblioteca)
9. CRONOGRAMA (primer cuatrimestre)
Semana A1 - Clases expositivas en gran grupo A2 - Clases en grupos de prácticas A3 - Tutorias Colectivas Trabajo autónomo Observaciones
Nº 1
10 - 16 sept. 2018
3.00.01.0 6.0  
Nº 2
17 - 23 sept. 2018
3.00.01.0 6.0  
Nº 3
24 - 30 sept. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 4
1 - 7 oct. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 5
8 - 14 oct. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 6
15 - 21 oct. 2018
3.00.01.0 6.0  
Nº 7
22 - 28 oct. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 8
29 oct. - 4 nov. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 9
5 - 11 nov. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 10
12 - 18 nov. 2018
3.00.01.0 6.0  
Nº 11
19 - 25 nov. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 12
26 nov. - 2 dic. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 13
3 - 9 dic. 2018
3.01.00.0 6.0  
Nº 14
10 - 16 dic. 2018
3.01.01.0 6.0  
Nº 15
17 - 20 dic. 2018
3.00.00.0 6.0  
Total Horas 45.0 10.0 5.0 90.0