Etapas de una
simulación en CFD
- Generación del Modelo 3D
- Mallado del dominio
- Resolución de las ecuaciones
- Análisis de los resultados
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Generación del Modelo 3D
La generación de un modelo tridimensional CAD de la geometría del dominio fluido es el primer paso y suele hacerse a partir de los planos 2D o bocetos suministrados por el cliente y se convierten en un sólido 3D adecuado para su tratamiento numérico.
El sólido debe mantener la geometría inicial y las características relevantes para capturar el flujo pudiéndose pasar por alto detalles que a nivel de fabricación serían esenciales pero desde el punto de vista de los procesos físicos que ocurren se consideran de nula importancia. No hay reglas escritas que digan lo que es o lo que no es relevante y por tanto, incluso en este primer escalón del proceso, debe tenerse una cierta experiencia aplicada.
Los formatos mas universales aceptados de intercambio de sólidos son IGS y Parasolid aunque también podemos utilizar otros formatos comunes de los que disponga el cliente.
Mallado del dominio
La discretización del dominio fluido en pequeñas celdillas llamadas elementos o volúmenes finitos es la segunda etapa. La forma de estos puede ser variada (tetraédrica, hexaédrica, prismáticas, etc..). El tamaño del dominio dividido por la resolución requerida determina el número de elementos estando este limitado por la memoria disponible.
La complejidad de la física involucrada junto al tamaño del dominio define a grandes rasgos el tamaño del problema y la potencia de cálculo necesaria. La densidad de nodos o elementos puede cambiar de unas regiones a otras debiendo acumular un mayor número de ellos en las zonas donde se esperan fuertes variaciones de alguna variable.
Resolución de las ecuaciones
Las ecuaciones que gobiernan la transferencia de masa, cantidad de movimiento, energía, especies, etc... se resuelven en cada uno de los elementos de la malla generada en el paso anterior. Puesto que las ecuaciones son en derivadas parciales previamente hay que convertirlas en ecuaciones algebraicas (introduciendo errores numéricos de discretización y truncación) utilizando los esquemas numéricos mas adecuados. Así se pasa de tener un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales sobre un espacio continuo (x,y,z,t) a un sistema finito de ecuaciones algebraicas con variables independientes discretas (x[i],y[i],z[i],t[j]). El número de ecuaciones a resolver es por supuesto muy elevado, del orden de un millón por paso de tiempo.
En los pasos intermedios de discretización y truncación aparecen errores numéricos, además de los de redondeo debidos al uso de un número finito de decimales, que deben tender a cero si se quiere que la solución numérica se parezca a la real.
Asociados a la cuantificación de errores se encuentran los conceptos de verificación y validación de los cálculos. Se llama verificación del modelo a la comprobación de que las ecuaciones están siendo correctamente resueltas. Esto poco tiene que ver con la física y es una cuestión puramente de cálculo numérico. La validación del modelo, por el contrario, consiste en determinar lo apropiado de usar las ecuaciones que realmente se resuelven como aproximación del modelo matemático del proceso físico.
Análisis de los resultados
Generalmente, al análisis y post proceso de los resultados se le da una menor importancia de la que realmente tienen.
Una vez resueltas las ecuaciones, se dispone de los valores de las variables que definen el problema en cada uno de los elementos de la malla. Si además el problema es no estacionario, se obtiene un conjunto de tales datos por cada paso de tiempo. Como es de esperar se tiene una gran cantidad de datos entre los que hay que extraer información útil.
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