¿Qué es el Análisis de Fluidos?
El análisis de fluidos es una técnica de análisis del flujo de fluidos como el aire y el agua mediante simulación. El análisis de fluidos se utiliza en la fase de diseño porque es menos costoso y lleva menos tiempo que la experimentación. Además, suele ser difícil y costoso leer los movimientos de flujo de fluidos como líquidos y gases mediante experimentos. Aquí es donde resulta útil el software de análisis de fluidos, ya que puede utilizarse para el movimiento de fluidos en entornos de alta temperatura y alta presión en los que no pueden utilizarse instrumentos de medición, y en entornos a gran escala inaccesibles mediante experimentos, como tsunamis y ríos.
Usos del Análisis de Fluidos
Los programas de análisis de fluidos se utilizan en la investigación y el desarrollo de diversos productos, en las cadenas de producción y en la previsión meteorológica. Son muy variados los análisis del estado del flujo y la presión en el interior de motores de automóviles, los análisis para reducir la resistencia a la que están sometidos los automóviles, el desarrollo de mecanismos de refrigeración para CPU y otros dispositivos, etc.
Ejemplos de uso del Análisis de Fluidos
- Análisis de la fuerza ejercida por el aire sobre un vehículo en marcha.
- Análisis del flujo de aire en una habitación cuando se utiliza el aire acondicionado.
- Análisis del flujo de aire para mejorar la eficacia de los mecanismos de refrigeración de máquinas generadoras de calor.
- Análisis de la dirección del viento y la presión atmosférica en la previsión meteorológica.
- Análisis de la rotación de las palas de un tornillo, etc.
Principios del Análisis de Fluidos
El software de análisis de fluidos analiza el flujo de fluidos calculando numéricamente por ordenador las dos ecuaciones básicas siguientes
- Ecuación de Continuidad (Conservación de la Masa)
Es la regla según la cual un fluido no surge de la nada ni desaparece repentinamente en el espacio vacío. Esto significa que el agua no surge de la nada. - Ley de Conservación del Momento (Ecuaciones de Navier-Stokes)
Esta ley establece que la intensidad del movimiento de un objeto no cambia a menos que se le aplique alguna fuerza externa. En realidad, se deriva de las ecuaciones del movimiento de Newton.
Además, al analizar la temperatura y otros parámetros, la ecuación se resuelve también para la conservación de la energía.
Composición del Análisis de Fluidos
Los programas comerciales de análisis de fluidos suelen incluir una parte de creación del modelo, otra de ejecución de la simulación y otra de posprocesamiento, pero también hay programas que sólo incluyen la parte de ejecución de la simulación (solver) o programas dedicados a la parte de creación del modelo.
Parte de preprocesamiento y creación del modelo
La creación de modelos es el proceso de creación de la geometría para el análisis de fluidos. En muchos casos, pueden utilizarse formatos de archivo como STEP, IGES y Parasolid creados en CAD 3D. El software de análisis de termofluidos también ofrece la posibilidad de establecer condiciones de contorno, como qué partes de la estructura creada son zonas de entrada de fluidos y cuáles son zonas de temperatura constante.
Para realizar los cálculos posteriores, la forma del modelo se representa mediante una malla. Crear una malla limpia es un factor importante para aumentar la velocidad y la precisión del análisis. El software de creación de modelos ofrece una función para seleccionar fácilmente el tamaño, etc. y generar automáticamente una malla de alta calidad.
Parte de ejecución de la simulación
Esta sección se refiere a la parte comúnmente conocida como solver. El software de análisis de fluidos en sentido estricto se refiere únicamente a esta parte. El solver tiene la capacidad de resolver ecuaciones de continuidad, ecuaciones de conservación del momento, ecuaciones de conservación de la energía, etc. Hoy en día, los solvers están equipados con la capacidad de resolver modelos más complejos y realizar cálculos a mayor velocidad en respuesta a las mejoras en el rendimiento de los ordenadores.
Parte de postprocesamiento
Los resultados del análisis pueden visualizarse en un modelo 3D para permitir una comprensión más intuitiva de los resultados del análisis. La funcionalidad de análisis varía en función del producto. A partir de los resultados de los cálculos, pueden crearse diagramas de contorno que muestran la distribución de la presión y la temperatura en distintos colores, diagramas vectoriales que muestran el flujo con flechas y diagramas de flujo con líneas.
Tipos de Análisis de Fluidos
A continuación se describen los distintos tipos de software de análisis de fluidos.
El primer método para representar fluidos consiste en discretizar el espacio. El método de los elementos finitos y el método de los volúmenes finitos son métodos de discretización bien conocidos. Por otra parte, también existe el método de partículas, que representa el fluido como una colección de partículas. Debido a estos distintos métodos, técnicas y funciones específicos de CAE, es necesario establecer el método y las condiciones más adecuados para cada caso, en función del fenómeno que se desee simular.
También existen programas informáticos de análisis de termofluidos, desde los diseñados para ser sencillos y fáciles de usar, hasta los que disponen de múltiples funciones y son utilizados por profesionales del análisis de termofluidos. Las empresas varían, pero a título orientativo, los siguientes puntos suelen marcar la diferencia
- Número de modelos de turbulencia
- Disponibilidad de funciones de análisis de flujo multifásico
- Disponibilidad de funciones de análisis de fluidos no newtonianos
- Capacidad de análisis acoplado (por ejemplo, análisis estructural)
- Manejo o no de fluidos compresibles.
Además, existen diferencias en el sistema de licencias. Seleccione el software más adecuado aclarando la finalidad de uso y las funciones necesarias.
Software Gratuito para el Análisis de Fluidos
OpenCFD (ESI Group) ofrece un programa gratuito de análisis de fluidos llamado OpenFOAM. Se trata de una de las principales herramientas de software CFD (Computational Fluid Dynamics) de código abierto para el análisis de fluidos.
Incorpora un gran número de modelos de cálculo y es comparable a los programas comerciales sólo en términos de funcionalidad.
Características de OpenFOAM
OpenFOAM está equipado con una amplia biblioteca de modelos de flujo de fluidos específicos, incluidos modelos de turbulencia LES, modelos de flujo multifásico y modelos de superficie libre, y presume de una precisión de cálculo extremadamente fiable. Los usuarios con conocimientos de mecánica de fluidos, métodos numéricos y programación pueden desarrollar y crear sus propios modelos.