El análisis CFD permite a los ingenieros visualizar, probar y analizar los diseños de sus productos en busca de problemas relacionados con el flujo de fluidos, la transferencia de calor, la turbulencia, los materiales no newtonianos, etc.
La tecnología ha facilitado que las organizaciones y los ingenieros calculen virtualmente la eficiencia de su diseño en cualquier momento y en cualquier condición. Como resultado, ahorra tiempo, esfuerzo y dinero.
Pero el proceso no era tan simple antes. Las costosas pruebas físicas eran el único medio para resolver problemas prácticos antes de que la simulación o el análisis CFD entraran en escena. Implicó pruebas rigurosas utilizando prototipos con muchos retiros y fallas.
Además de las pruebas, debe solucionar los problemas rápidamente para llevar el diseño a producción. El software de análisis de CFD lo ayuda con esto, y de esto es de lo que voy a hablar en este artículo.
Entonces, comencemos.
¿Qué es el CFD?
La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una parte de la mecánica de fluidos que utiliza estructuras de datos y cálculos numéricos para analizar y resolver problemas de flujo de fluidos (gases y líquidos) como composiciones químicas, densidad y velocidad.
Y la herramienta para realizar análisis CFD y resolver problemas de flujo de fluidos es el software CFD. Garantiza que se utilicen los mejores conceptos de flujo desde las primeras etapas del diseño del producto para permitir que los componentes funcionen de manera eficiente en diversas condiciones.
CFD facilita el análisis de problemas complejos de flujo de fluidos que involucran interacciones líquido-gas, fluido-sólido o fluido-fluido. Utiliza solucionadores avanzados para transformar leyes físicas de ecuaciones diferenciales parciales en ecuaciones algebraicas y resolverlas de manera eficiente.
Los ingenieros y analistas utilizan computadoras para realizar estos cálculos para simular el fluido que fluye libremente y su interacción con las superficies. Usando computadoras sofisticadas o supercomputadoras, puede obtener soluciones precisas con alta velocidad, incluso para los problemas más complejos.
CFD se utiliza en varias áreas, como:
- Ingeniería aeroespacial para simular la aerodinámica de aeronaves, flujo turbulento / laminar, flujo compresible / incompresible, diseño de perfil aerodinámico, máquinas rotativas, etc.
- Fabricación electrónica como simulación de batería, refrigeración y más
- Calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
- Automóviles para simular la aerodinámica de piezas, tuberías y válvulas de automóviles
- Prevención de la cavitación
- Equipamiento deportivo y mucho más
¿Cómo funciona el análisis de CFD?
En general, el análisis de CFD implica tres fases principales:
Preprocesamiento: Aquí es cuando el problema del flujo de fluidos se transforma en un modelo de computadora discreto e ideal. Los ingenieros y analistas hacen algunas suposiciones basadas en el tipo de flujo, como compresible, incompresible, estable, transitorio, viscoso, no viscoso, etc. También crean una malla y aplican condiciones de contorno en las superficies que interactúan.
Resolviendo: El análisis CFD utiliza potentes solucionadores que realizan cálculos reales sobre problemas o ecuaciones de flujo de fluidos y brinda soluciones precisas y rápidas.
Postprocesamiento: Los analistas visualizan y analizan los resultados en la fase final para concluir en forma de tablas, gráficos, imágenes en movimiento, etc.
¿Cuáles son los beneficios del análisis CFD?
El análisis de CFD es beneficioso en el desarrollo de productos de muchas formas:
#1. Eficiencia
Analizar y resolver ecuaciones complejas llevaría mucho tiempo si se hiciera manualmente mediante pruebas y cálculos convencionales. Pero el software de análisis CFD puede resolver complejas ecuaciones de flujo de fluidos con alta velocidad y precisión, lo que le permite ahorrar tiempo y esfuerzo.
#2. Más flexibilidad
Puede medir cantidades limitadas a la vez a través de medios manuales. Sin embargo, el análisis CFD le permite medir todas las cantidades físicas que desee simultáneamente con altas resoluciones debido a su excepcional poder de cálculo. Ayuda a trasladar su diseño rápidamente a pruebas físicas y fabricación.
#3. Comentarios prácticos
Los ingenieros pueden crear diseños y probar la eficiencia antes de la construcción con la ayuda del análisis CFD. Te permite cambiar la forma, estructura, tamaño, escala, etc. de tu modelo fácilmente en el software y finalizar el más eficiente.
#4. Experiencia del mundo real
La simulación incluye varios fenómenos y condiciones del mundo real como el movimiento del viento, la gravedad, la velocidad de la luz, etc. Por lo tanto, puede generar condiciones ambientales y probar sus diseños contra esas condiciones para comprender su rendimiento y comportamiento.
Ahora, veamos algunas de las mejores herramientas de análisis de CFD del mercado.
Autodesk CFD
CFD de Autodesk es un muy buen software de simulación CFD para analistas e ingenieros para predecir el flujo y comportamiento de gases y líquidos de manera inteligente. Ayuda a minimizar los requisitos de diferentes prototipos físicos para obtener información detallada sobre un flujo de fluidos para el rendimiento del diseño.
Obtiene muchas funciones en este software CFD y herramientas de simulación térmica que funcionan con el máximo rendimiento. El uso de la herramienta le permite comparar diseños para comprender el comportamiento fluido dentro de ellos antes de pasar a la producción. Además, puede mejorar la distribución de presión para aplicaciones de control de flujo y resolver ecuaciones para todos los modelos de transferencia de calor, desde sólido-sólido o sólido-fluido.
Autodesk CFD le permite conectarlo a Fusion 360 para permitir la modificación y simplificación de CAD. También puede usar la geometría y la automatización de malla para dimensionar la malla y ejecutar múltiples análisis en servidores HPC, remotos o locales para resolver modelos grandes con flexibilidad.
El software le permite optimizar el diseño para mejorar la eficiencia del edificio para aplicaciones arquitectónicas y MEP. También puede simular una interfaz entre gases y líquidos, modelar varios fenómenos de flujo como derrames, chapoteos y olas, y desarrollar ecuaciones personalizadas para obtener resultados visuales.
Otras características que puede encontrar en Autodesk CFD son las conexiones CAD, que simulan el rendimiento de los componentes del disipador de calor y el rastreo de partículas para comprender mejor las direcciones y circulaciones del flujo. También permite la mezcla escalar, el modelado de radiación, el análisis de dispositivos rotativos y el modelado de la condensación y la humedad.
Aparte de esto, el análisis de las cargas de calefacción solar y la visibilidad del humo, la interfaz de usuario limpia y personalizable, los resultados basados en datos y la automatización de secuencias de comandos a través de un API también son características valiosas en este software CFD.
SimScale
SimScaleEl software CFD está basado en la nube y le permite probar, validar, optimizar e iterar sus diseños a través de la simulación en línea. Permite todos los procesos en un navegador web, por lo que no necesita luchar con una potencia computacional limitada, altos costos y accesibilidad.
Dado que las simulaciones transitorias necesitan más dinero y tiempo para producir resultados precisos, el software CFD de SimScale resuelve este problema. Esta GPUEl solucionador basado en Método Lattice-Boltzmann (LBM) para ofrecer una alta precisión y una velocidad inigualable.
También colaboraron con Numeric Systems GmbH para crear esta característica lista para usar usando Pacefish.
Como resultado, los tiempos de simulación de transitorios se han reducido de días y semanas a minutos y horas. Además, el software se ejecuta en varias GPU en paralelo y ofrece tiempos de respuesta de 20 a 30 veces más cortos que los procesos estándar.
SimScale admite múltiples tipos de modelado de turbulencia como Smagorinsky, k-omega SST, Hybrid SST-IDDES y SST-DDES. Dado que la compresibilidad del fluido es una consideración vital, la herramienta admite simulaciones de fluidos compresibles e incompresibles con precisión para ayudarlo a diseñar y desarrollar productos de forma más segura y de calidad.
El software CFD de SimScale puede resolver ecuaciones complejas de flujo de fluidos con métodos numéricos precisos. Por lo tanto, es aplicable para diseñar componentes de aviones, superficies aerodinámicas, conductos, válvulas y más.
También funciona para flujos turbulentos y laminares, además de simulaciones transitorias y constantes. Por lo tanto, es útil para el diseño de tuberías, propagación de humo, salas limpias y separadores de ciclones.
El software ofrece capacidades de simulación térmica, modelado de múltiples especies o flujo multifásico con la ayuda del método de Volumen de Fluido (VoF). También utiliza el solucionador OpenFOAM para analizar dos fluidos que no se mezclan como el agua y el aceite, útiles para la ingeniería de procesos y aplicaciones marinas.
Ejecute simulaciones de estado estacionario utilizando múltiples marcos de referencia (MRF) o condiciones de límite giratorias junto con simulaciones transitorias con la interfaz de malla arbitraria (AMI). También puede simular y evaluar el movimiento de un cuerpo sólido con 6 grados de libertad (DoF), adecuado para construcción naval y diseños de tuberías.
Ansys
Todo ingeniero de diseño debe haber utilizado o al menos oído hablar Ansys que ofrece excelentes herramientas de simulación de CFD para ayudarlo a tomar mejores y más rápidas decisiones. Sus simulaciones CFD brindan resultados precisos y un alto poder de cómputo y han sido validadas por su calidad.
Las herramientas de CFD son intuitivas y potentes para ayudarlo a mejorar la seguridad y el rendimiento de su producto mientras reduce los esfuerzos y el tiempo de desarrollo. Además, garantizan errores mínimos o nulos y ofrecen la gran posibilidad de innovar y producir productos optimizados utilizando solucionadores eficientes de grado industrial.
Ya sea que esté buscando formas de realizar simulaciones efectivas de engelamiento en vuelo o maximizar la eficiencia del motor de combustión interna (IC), Ansys tiene herramientas para ayudarlo. Son fáciles de usar y avanzados para ahorrarle tiempo y ayudarlo a aumentar su productividad.
Algunos de los productos CFD que ofrecen son:
- Ansys es fluido en modelado avanzado con alta precisión
- Ansys CFX para una velocidad, robustez y precisión excepcionales en aplicaciones de turbomáquinas
- Ansys Chemkin-Pro es una herramienta CFD premium para modelar sistemas complejos que reaccionan químicamente
Además, proporcionan otras herramientas relacionadas, como Ansys BladeModeler, Ansys Rocky, Ansys Vista TF, Ansys TurboGrid, Ansys Polyflow, Ansys Model Fuel Library, Ansys FENSAP-ICE, Ansys EnSight y Ansys Forte.
OpenFOAM
Lanzado en 2004, OpenFOAM es un software CFD de código abierto y gratuito desarrollado por OpenCFD. Tiene una base de usuarios significativa en todo el mundo en la mayoría de las regiones de ciencia e ingeniería, incluidas organizaciones académicas y comerciales.
OpenFOAM ofrece muchas funciones aplicables para resolver flujos de fluidos simples a complejos, como reacciones químicas, transferencia de calor, turbulencia, mecánica de sólidos, electromagnetismo y acústica.
Además, la comunidad de desarrolladores de OpenFOAM continúa contribuyendo a su desarrollo, y también incluyen desarrollos patrocinados por clientes para lanzar nuevas versiones cada 6 meses.
Es probado de forma independiente por los especialistas en aplicaciones de ESI-OpenCFD, clientes seleccionados y socios de desarrollo. Se desempeñan rigurosamente las pruebas en el software para garantizar la calidad. El proceso de evaluación, validación y verificación del código incluye cientos de pruebas unitarias diarias.
CFD Module
Software de modelado de CFD de Consol - Módulo CFD permite definir modelos y resolverlos para estudiar sistemas con flujo de fluidos. También funciona para sistemas que contienen una combinación de flujo de fluidos y fenómenos físicos, lo que significa que funciona tanto para flujos monofásicos como multifásicos.
El módulo CFD ofrece herramientas para modelar las piedras angulares de diferentes análisis de flujo de fluidos, tales como:
- Flujos compresibles e incompresibles
- Flujos turbulentos y laminares
- Fluye en medios libres o porosos y áreas abiertas
- Flujo de película delgada
El software implementa estas capacidades a través de interfaces de flujo de estructura para definir, analizar y resolver problemas de flujo transitorio y de estado estacionario en 3D, 2D y 2D axisimétrico. Además, ofrece una funcionalidad personalizada para resolver problemas relacionados con el flujo con un alto número de Mach, flujos no newtonianos y maquinaria rotativa.
El módulo CFD puede modelar flujos de reacción y conjugar transferencias de calor en el mismo entorno para permitirle analizar problemas de flujo simultáneamente. Aparte de esto, ofrece más capacidades multifísicas como la interacción fluido-estructura, que puede habilitar combinando el software con otros módulos de Comsol.
Simcenter
Analizar y predecir el rendimiento del producto en el mundo real con la ayuda de Software de simulación Simcenter CFD por Siemens. Esta herramienta de análisis CFD líder en la industria ofrece una simulación rápida y precisa de varios problemas de ingeniería que involucran fluidos, estructuras y física relacionada.
Ya sea que sea un diseñador, un ingeniero de CFD o un investigador, el software puede ayudarlo a analizar problemas complejos de flujo de fluidos y transformar los conocimientos adquiridos en el desarrollo de productos innovadores.
También puede simular fácilmente problemas que involucren varias piezas en movimiento e interactuando mediante transformación de malla, mallado desbordado o una combinación de ambos.
Además, puede utilizar funciones de malla en movimiento para simulaciones estables o transitorias y estudios paramétricos. Esto proporciona una forma sencilla de reemplazar o reposicionar un objeto y estudiar diferentes configuraciones de diseño. El software Simcenter CFD proporciona Lagrangiano y Euleriano capacidades de modelado para adaptarse con precisión a las diferentes necesidades de simulación.
Sin mencionar que este es el primer simulador de ingeniería comercial que incluye una función DEM con simulación de flujo numérico. Le ayuda a analizar cómo los flujos turbulentos interactúan con los flujos de reacción para garantizar que el producto funcione correctamente en diversas condiciones de funcionamiento.
Además, obtiene una biblioteca extensa que contiene modelos precisos para predecir fuentes aeroacústicas como modelos de estado estable, DES / LES y modelos de propagación. También puede utilizar simulaciones de batería utilizando especificaciones geométricas y rendimiento para validar el diseño de su batería de iones de litio digital.
Flowsquare
Otro software CFD gratuito en esta lista es Cuadrado de flujo – un software CFD bidimensional para analizar flujos de fluidos inestables y no reactivos/reactivos junto con flujos subsónicos o supersónicos.
Ofrece un entorno práctico para el análisis de CFD y tiene como objetivo acercar a más personas a esta tecnología y simular flujos para alimentar sus intereses académicos o educativos.
La mayoría de las herramientas comerciales de CFD tienen un alto costo y necesitan experiencia y grandes recursos computacionales, no todos pueden usarlas, pero Flowsquare es gratuito y está diseñado para que sea fácil de usar.
No requiere competencia en habilidades como mallado, programación CAD y procesamiento previo y posterior. Puede comenzar dibujando un campo de simulación simple con cualquier herramienta de pintura como Microsoft Paint.
Configure el dominio de cálculo utilizando 1-2 imágenes de mapa de bits y un solo archivo de texto. Aquí, puede realizar la visualización en tiempo real y guardarla como archivos de mapa de bits. Tiene herramientas de visualización integradas para colores, contornos vectoriales, partículas lagrangianas y gráficos.
Flowsquare utiliza esquemas y condiciones numéricas altamente flexibles, y los datos de simulación están disponibles en formato binario para su posprocesamiento. Es utilizado en todo el mundo por individuos, empresas e institutos de educación para múltiples propósitos.
ParaView
ParaView es un software de análisis y visualización de datos multiplataforma y de código abierto. Le permite crear visualizaciones rápidamente y analizar su datos con la ayuda de métodos cualitativos y cuantitativos métodos.
Las simulaciones CFD de ParaView le permiten estudiar la elevación, el arrastre, el flujo de aire, etc., para ayudar a mejorar la eficiencia del diseño. También es capaz de analizar conjuntos de datos masivos con recursos de memoria informática distribuida. Además, puede realizar la exploración de datos de forma interactiva mediante programación o en 3D utilizando las funciones de procesamiento por lotes del software.
Puede ejecutar ParaView en supercomputadoras y analizar conjuntos de datos de petaescala o en su computadora portátil para analizar datos menores. Esta versatilidad lo hace aplicable a diferentes industrias, universidades y laboratorios nacionales. Además, ha ganado múltiples premios debido a su alto rendimiento y cálculo.
Aproveche ParaView para su próximo proyecto y benefíciese de sus servicios avanzados y soluciones de I + D. También puede unirse al Foro ParaView y mantenerse actualizado sobre los últimos desarrollos. La herramienta es excelente para muchos casos de uso, como:
- Las herramientas de análisis de datos climáticos (CDAT) ayudan a los analistas a monitorear, predecir y rastrear los cambios climáticos.
- Las simulaciones CFD ayudan a los equipos de aviación a analizar y estudiar la sustentación y la resistencia.
- Explorando datos inmersivos de forma intuitiva.
- ParaView Catalyst y PHASTA ayudan en una simulación CFD de control de flujo con alta fidelidad para los perfiles de las alas.
- Simulación de ALEGRA en una placa de cerámica utilizada en la penetración del chorro de carga perfilado
- NVIDIA Omniverse ParaView Connector permite a los científicos analizar el clima y los datos meteorológicos de forma interactiva junto con sus efectos en la Tierra.
Altair
Ya sea que desee realizar un modelado CFD avanzado o estudiar los efectos térmicos o de fluidos relacionados con su diseño, Altair puede ayudarlo con sus amplias herramientas. Proporciona varios solucionadores escalables y un potente software CFD de procesamiento previo y posterior para probar el rendimiento completo del sistema y analizar los componentes en detalle.
Altair CFD utiliza un solucionador de Navier-Stokes con capacidades de análisis de amplio rango para transferencia de calor, flujo, materiales no newtonianos y turbulencia. Puede ofrecerle una solución robusta, precisa y escalable independientemente de la topología y la calidad de los elementos de malla.
Su tecnología avanzada ofrece energía optimizada y eficiencia de costos con computación basada en GPU para un alto rendimiento. Como resultado, puede simular modelos complejos en un solo servidor y calcular la aeroacústica de máquinas rotativas como motores eléctricos, energías renovables y ventiladores de refrigeración.
Puede utilizar un flujo de trabajo optimizado y dedicado en Altair HyperWorks con funcionalidades de ejecución, preprocesamiento y posprocesamiento del solucionador. Además, Altair CFD también utiliza el método Lattice Boltzmann (LBM) para predecir propiedades aerodinámicas a la velocidad del rayo para automóviles de pasajeros, autos de carrera, vehículos pesados y camiones ligeros.
Altair utiliza el solucionador de hidrodinámica de partículas suaves (SPH) para predecir flujos alrededor de geometrías complicadas en un movimiento complejo. Además, su herramienta Método de elementos discretos (DEM) simula y estudia el comportamiento del material granular con precisión para carbones, granos, fibras, polvos, etc.
Puede calcular Altair CFD y EDEM para simular la interacción de fluidos y partículas de manera realista e investigar sistemas complejos como lechos fluidizados, recubrimiento por pulverización, secado, filtración y mezcla sólido-líquido. Otras herramientas en esta suite son Altair FlowSimulator para transferencia de calor, flujo y diseño de combustión, SimLab para enfriamiento de componentes electrónicos y más.
SOLIDWORKS
Si es usuario de SOLIDWORKS, le gustará Software de simulación de flujo SOLIDWORKS. Se ocupa de los problemas de flujo de fluidos mediante análisis numérico y ofrece retroalimentación dinámica para el rendimiento térmico y el flujo de fluidos de sus productos.
Con las funciones de optimización paramétrica, puede automatizar el proceso de análisis y diseño para encontrar la mejor iteración de diseño dentro de un entorno CAD familiar. Las herramientas le permiten simular una variedad diferente de gases y líquidos en diferentes escenarios.
Sus aplicaciones típicas son colectores de flujo continuo, refrigeración electrónica, intercambiadores de calor y aerodinámica. Obtiene muchas herramientas de análisis CFD para la integración FEA, análisis de sistemas rotativos, análisis de flujo externo e interno, módulo de refrigeración de componentes electrónicos, dinámica de superficie libre, estudio de partículas y módulo HVAC.
Este software CFD se integra con SOLIDWORKS y utiliza la interfaz CAD para el análisis. Puede reconocer el volumen de fluido automáticamente en un diseño según el tipo de análisis y le permite ejecutar múltiples escenarios CFD y crear plantillas de análisis con entradas y parámetros precisos. También puede aprovechar el mallado dinámico con el refinamiento automático de la malla para una actividad de alta fluidez.
Conclusión
El software de análisis CFD le permite visualizar y analizar problemas relacionados con el flujo de fluidos, la transferencia de calor, etc., en el diseño de su producto. Puede resolver estos problemas de forma rápida y precisa para permitir un diseño y desarrollo de productos más seguros y de calidad.
