El análisis CFD permite a los ingenieros visualizar, probar y analizar los diseños de sus productos para resolver problemas relacionados con el flujo de fluidos, la transferencia de calor, las turbulencias, los materiales no newtonianos, etc.
Esta tecnología ha facilitado a las organizaciones y a los ingenieros el cálculo de la eficiencia de sus diseños en cualquier momento y en cualquier condición de forma virtual. Como resultado, se ahorra tiempo, esfuerzo y dinero.
Pero antes el proceso no era tan sencillo. Las costosas pruebas físicas eran el único medio de resolver problemas prácticos antes de que la simulación o el análisis CFD entraran en escena. Implicaba pruebas rigurosas utilizando prototipos con muchas retiradas y fallos.
Aparte de las pruebas, hay que solucionar los problemas rápidamente para pasar el diseño a producción. El software de análisis CFD le ayuda con esto, y es de lo que voy a hablar en este artículo. Pero para eso, puede saltar a la sección«¿Qué es CFD?«.
Ahora, veamos algunas de las mejores herramientas de análisis CFD del mercado.
Autodesk CFD
Autodesk CFD es un software de simulación CFD muy bueno para que analistas e ingenieros puedan predecir el flujo y el comportamiento de gases y líquidos de forma inteligente. Ayuda a minimizar los requisitos de diferentes prototipos físicos para obtener una visión en profundidad del flujo de un fluido para el rendimiento del diseño.
Obtendrá 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 de los fluidos en su interior antes de pasar a la producción. Además, puede mejorar la distribución de la 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 posibilitar la modificación y simplificación de CAD. También puede utilizar la automatización de la malla y la geometría para el dimensionamiento de la malla y ejecutar múltiples análisis en servidores HPC, remotos o locales para resolver grandes modelos con flexibilidad.
El software le permite optimizar el diseño para mejorar la eficiencia del edificio en aplicaciones MEP y arquitectónicas. También puede simular una interfaz entre gases y líquidos, modelar diversos fenómenos de flujo como derrames, chapoteos y olas, y desarrollar ecuaciones personalizadas para obtener resultados visuales.
Otras funciones que puede encontrar en Autodesk CFD son las conexiones CAD, la simulación del rendimiento de componentes disipadores de calor y el rastreo de partículas para comprender mejor las direcciones de flujo y las circulaciones. También permite la mezcla escalar, el modelado de la radiación, el análisis de dispositivos giratorios 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 personalizable y limpia, los resultados basados en datos y la automatización de scripts a través de una API son también características valiosas en este software CFD.
SimScale
El software CFD de SimScale está basado en la nube y le permite probar, validar, optimizar e iterar sus diseños mediante simulación en línea. Permite realizar todos los procesos en un navegador web, por lo que no tendrá que luchar con la limitada potencia de cálculo, los elevados costes y la accesibilidad.
Como las simulaciones transitorias necesitan más dinero y tiempo para producir resultados precisos, el software CFD de SimScale resuelve este problema. Este solver basado en la GPU utiliza el método Lattice-Boltzmann (LBM) para ofrecer una gran precisión y una velocidad inigualable.
También han colaborado con Numeric Systems GmbH para crear esta función «out-of-the-box» utilizando 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 de forma paralela y ofrece tiempos de ejecución entre 20 y 30 veces más cortos que los procesos estándar.
SimScale admite múltiples tipos de modelado de turbulencias como Smagorinsky, k-omega SST, SST-IDDES híbrido y SST-DDES. Dado que la compresibilidad de los fluidos es una consideración vital, la herramienta admite simulaciones para fluidos compresibles e incompresibles con precisión para ayudarle en el diseño y desarrollo de productos más seguros y de calidad.
El software CFD de SimScale puede resolver complejas ecuaciones de flujo de fluidos con métodos numéricos precisos. De ahí que sea aplicable al diseño de componentes de aviones, perfiles aerodinámicos, conductos, válvulas y mucho más.
También funciona para flujos turbulentos y laminares, además de para simulaciones transitorias y estacionarias. Por lo tanto, es útil para diseñar tuberías, propagación de humos, salas limpias y separadores ciclónicos.
El software ofrece capacidades de simulación térmica, modelado de flujo multiespecie o multifásico con la ayuda del método de volumen de fluido (VoF). También utiliza el solver OpenFOAM para analizar dos fluidos no mezclables, agua y aceite, útil para la ingeniería de procesos y las aplicaciones marinas.
Ejecute simulaciones en estado estacionario utilizando marcos de referencia múltiples (MRF) o condiciones de contorno rotativas junto con simulaciones transitorias con la interfaz de malla arbitraria (AMI). También puede simular y evaluar el movimiento de cuerpos sólidos con 6 grados de libertad (DoF), adecuado para la construcción naval y el diseño de tuberías.
Ansys
Todo ingeniero de diseño debe haber utilizado o al menos oído hablar de Ansys, que ofrece excelentes herramientas de simulación CFD para ayudarle a tomar decisiones más rápidas y acertadas. Sus simulaciones CFD proporcionan resultados precisos y una gran potencia de cálculo y han sido validadas por su calidad.
Las herramientas CFD son intuitivas y potentes para ayudarle a mejorar la seguridad y el rendimiento de su producto al tiempo que reducen los esfuerzos y el tiempo de desarrollo. Además, garantizan la ausencia de errores y ofrecen la gran posibilidad de innovar y fabricar productos optimizados utilizando solucionadores eficientes y de calidad industrial.
Tanto si busca formas de realizar simulaciones eficaces de formación de hielo en vuelo como de maximizar la eficiencia del motor de combustión interna (IC), Ansys dispone de herramientas que le ayudarán. Son fáciles de usar y avanzadas para ahorrarle tiempo y ayudarle a aumentar su productividad.
Algunos de los productos CFD que ofrecen son:
- Ansys es Fluent en modelado avanzado con alta precisión
- Ansys CFX para una velocidad, robustez y precisión extraordinarias en aplicaciones de turbomaquinaria
- Ansys Chemkin-Pro es una herramienta CFD de primera calidad 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. Cuenta con una importante base de usuarios en todo el mundo en la mayoría de las regiones de la ciencia y la ingeniería, incluidas organizaciones académicas y comerciales.
OpenFOAM ofrece multitud de funciones aplicables para resolver flujos de fluidos simples a complejos, como reacciones químicas, transferencia de calor, turbulencias, mecánica de sólidos, electromagnética y acústica.
Además, la comunidad de desarrolladores de OpenFOAM sigue contribuyendo a su desarrollo, y también incluyen desarrollos patrocinados por clientes para lanzar nuevas versiones cada 6 meses.
Los especialistas en aplicaciones de ESI-OpenCFD, clientes seleccionados y socios desarrolladores lo prueban de forma independiente. Realizan pruebas rigurosas del software para garantizar su calidad. El proceso de evaluación, validación y verificación del código incluye cientos de pruebas unitarias diarias.
COMSOL
COMSOL ofrece un módulo CFD que puede simular la dinámica de fluidos computacional. Utilizándolo, puede construir modelos de fenómenos físicos del mundo real. Sus características especiales para simulaciones de flujo de fluidos son útiles para un flujo de trabajo consistente en la construcción de modelos.
Los tipos de simulaciones que puede realizar con este software son:
- Flujolaminar y rastrero: Ayuda a modelar fluidos con densidad y viscosidad tanto constantes como variables.
- Flujoturbulento: Admite una gran variedad de flujos turbulentos estacionarios y transitorios con la función de editar las ecuaciones del modelo.
- Flujo multifásico y superficies libres: Permite simular el comportamiento de burbujas, gotas y partículas.
- Flujo enmedios porosos: El software ofrece tres modelos para esta simulación: Ley de Darcy, Ecuaciones de Brinkman y Flujo de medios libres y porosos.
Para obtener información detallada sobre las licencias disponibles y conseguir una demostración, debe ponerse en contacto con la empresa y hablar con los representantes de ventas.
Simcenter
Analice y prediga el rendimiento de los productos en el mundo real con la ayuda del software de simulación CFD Simcenter de Siemens. Esta herramienta de análisis CFD líder en la industria ofrece una simulación rápida y precisa de diversos problemas de ingeniería relacionados con fluidos, estructuras y física relacionada.
Tanto si es diseñador, ingeniero CFD o investigador, el software puede ayudarle a analizar problemas complejos de flujo de fluidos y transformar los conocimientos obtenidos en el desarrollo de productos innovadores.
También puede simular fácilmente problemas en los que intervienen varias partes móviles e interactuantes utilizando el morphing de malla, el mallado sobredimensionado o una combinación de ambos.
Además, puede utilizar las funciones de malla móvil para simulaciones estacionarias o transitorias y estudios paramétricos. Esto proporciona una forma sencilla de sustituir o reposicionar un objeto y estudiar diferentes configuraciones de diseño. El software CFD Simcenter ofrece capacidades de modelado lagrangiano y euleriano para adaptarse con precisión a las distintas necesidades de simulación.
Por no mencionar que es el primer simulador comercial de ingeniería que incluye una función DEM con simulación numérica de flujos. Le ayuda a analizar cómo interactúan los flujos turbulentos con los flujos reactivos para garantizar que el producto funciona correctamente en diversas condiciones de funcionamiento.
Además, obtendrá una amplia biblioteca que contiene modelos precisos para predecir fuentes aeroacústicas como modelos de estado estacionario, DES/LES y modelos de propagación. También puede utilizar simulaciones de baterías con especificaciones geométricas y de rendimiento para validar su diseño digital de baterías de iones de litio.
Flowsquare
Otro software CFD gratuito de esta lista es Flowsquare, un software CFD bidimensional para analizar flujos de fluidos no estacionarios y no reactivos/reactivos junto con flujos subsónicos o supersónicos.
Ofrece un entorno práctico para el análisis CFD y pretende acercar a más personas a esta tecnología y simular flujos para alimentar sus intereses académicos o educativos.
La mayoría de las herramientas CFD comerciales tienen un coste elevado y requieren conocimientos especializados y grandes recursos computacionales, por lo que no todo el mundo puede utilizarlas, pero Flowsquare es gratuita y está diseñada para facilitar su uso.
No requiere dominar habilidades como el mallado, la programación CAD y el pre/postprocesamiento. Puede empezar por esbozar un campo de simulación sencillo utilizando cualquier herramienta de pintura como Microsoft Paint.
Establezca el dominio de cálculo utilizando 1-2 imágenes Bitmap y un único archivo de texto. Aquí puede realizar la visualización en tiempo real y guardarla como archivos Bitmap. Dispone de herramientas de visualización integradas para colores, contornos vectoriales, partículas lagrangianas y gráficos.
Flowsquare utiliza condiciones y esquemas numéricos muy flexibles, y los datos de la simulación están disponibles en formato binario para su procesamiento posterior. Es utilizado en todo el mundo por particulares, empresas e institutos de enseñanza para múltiples fines.
ParaView
ParaView es un software de visualización y análisis de datos multiplataforma y de código abierto. Permite crear visualizaciones rápidamente y analizar sus datos con la ayuda de métodos cualitativos y cuantitativos.
Las simulaciones CFD de ParaView le permiten estudiar la sustentación, la resistencia, el flujo de aire, etc., para ayudar a mejorar la eficacia del diseño. También es capaz de analizar conjuntos de datos masivos con recursos de memoria de cálculo distribuidos. 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 superordenadores y analizar conjuntos de datos a petascala o en su ordenador portátil para analizar datos menores. Esta versatilidad lo hace aplicable a diferentes industrias, universidades y laboratorios nacionales. Es más, ha ganado múltiples premios debido a su gran capacidad de cálculo y rendimiento.
Aproveche ParaView para su próximo proyecto y benefíciese de sus avanzados servicios y soluciones de I+D. También puede unirse al foro de ParaView y mantenerse al día de los últimos avances. La herramienta es excelente para muchos casos de uso, como:
- Las herramientas de análisis de datos climáticos (CDAT) ayudan a los analistas a controlar, predecir y seguir los cambios climáticos.
- Las simulaciones CFD ayudan a los equipos de aviación a analizar y estudiar la sustentación y la resistencia
- Exploración intuitiva de datos inmersivos.
- ParaView Catalyst y PHASTA ayudan en una simulación CFD de control de flujo con alta fidelidad para perfiles de ala.
- Simulación ALEGRA en una placa cerámica utilizada en la penetración de un chorro de carga conformada
- NVIDIA Omniverse ParaView Connector permite a los científicos analizar datos climáticos y meteorológicos de forma interactiva, junto con sus efectos sobre la Tierra.
Altair
Si desea realizar un modelado CFD avanzado o estudiar los efectos térmicos o de fluidos relativos a su diseño, Altair puede ayudarle con sus amplias herramientas. Ofrece varios solvers escalables y un potente software CFD de pre y postprocesado para probar el rendimiento completo del sistema y analizar los componentes en detalle.
Altair CFD utiliza un solver Navier-Stokes con amplias capacidades de análisis para transferencia de calor, flujo, materiales no newtonianos y turbulencias. Puede ofrecerle una solución robusta, precisa y escalable independientemente de la topología y la calidad de los elementos de malla.
Su avanzada tecnología ofrece una eficiencia energética y de costes optimizada con computación basada en GPU para un alto rendimiento. Como resultado, puede simular modelos complejos en un único servidor y calcular la aeroacústica de máquinas rotativas como los motores eléctricos, las energías renovables y los ventiladores de refrigeración.
Puede utilizar un flujo de trabajo racionalizado y dedicado en Altair HyperWorks con funcionalidades de ejecución del solver, preprocesamiento y postprocesamiento. Además, Altair CFD también utiliza el método Lattice Boltzmann (LBM) para predecir las propiedades aerodinámicas a la velocidad del rayo para turismos, coches de carreras, vehículos pesados y camiones ligeros.
Altair utiliza el solver de Hidrodinámica de Partículas Suaves (SPH) para predecir flujos alrededor de geometrías complicadas en un movimiento complejo. Además, su herramienta de Método de Elementos Discretos (DEM) simula y estudia con precisión el comportamiento de materiales granulares como carbones, granos, fibras, polvos, etc.
Puede calcular Altair CFD y EDEM para simular la interacción de fluidos y partículas de forma realista e investigar sistemas complejos como lechos fluidizados, recubrimiento por pulverización, secado, filtración y mezcla sólido-líquido. Otras herramientas de esta suite son Altair FlowSimulator para transferencia de calor, flujo y diseño de combustión, SimLab para refrigeración de componentes electrónicos, etc.
SOLIDWORKS
Si es usuario de SOLIDWORKS, le gustará el software de simulación de flujos SOLIDWORKS. Trata los problemas de flujo de fluidos mediante análisis numérico y ofrece información dinámica sobre el rendimiento térmico y el flujo de fluidos de sus productos.
Gracias a 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 gran variedad de gases y líquidos en distintos escenarios.
Sus aplicaciones típicas son los colectores de flujo, la refrigeración electrónica, los intercambiadores de calor y la aerodinámica. Dispone de muchas herramientas de análisis CFD para la integración de elementos finitos, análisis de sistemas rotativos, análisis de flujos externos e internos, módulo de refrigeración electrónica, dinámica de superficies libres, estudio de partículas y módulo HVAC.
Este software CFD se integra con SOLIDWORKS y utiliza la interfaz CAD para el análisis. Puede reconocer automáticamente el volumen de fluido en un diseño en función del 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 refinado automático de la malla para una gran actividad de fluidos.
Simcenter STAR-CCM
Simcenter STAR-CCM es una aplicación CFD multifísica que le ayuda a mejorar el rendimiento de sus productos mediante la simulación de situaciones reales. Su interfaz de usuario totalmente integrada le permite manejar aplicaciones complejas con facilidad. Las principales capacidades de simulación de este software incluyen:
- CFDmultifísica: Le permite capturar toda la física relevante que puede afectar al rendimiento del producto.
- Flujos monofásicos: Ya sea gas o líquido, compresible o no compresible, subsónico o supersónico, laminar o turbulento, esta aplicación dispone de un modelo CFD adecuado.
- Simulación de flujos multifásicos: Ofrece una amplia gama de modelos para simular múltiples regímenes de flujo.
- Flujos reactivos: También dispone de modelos de flujo reactivo y de emisiones para comprender la dinámica del flujo y optimizar el rendimiento.
Además, puede simular la transferencia de calor en un medio o entre medios, fuentes de ruido aeroacústicas, electromagnética, difusión y fluidos con dominio viscoso e interacción fluido-estructura. Simcenter STAR-CCM ofrece planes de licencia flexibles y rentables.
A continuación, hablaré en detalle de la CFD, cómo funciona y mucho más.
¿Qué es la 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 fases del diseño del producto para que los componentes funcionen eficazmente en diversas condiciones.
La CFD facilita el análisis de problemas complejos de flujo de fluidos que implican interacciones líquido-gas, fluido-sólido o fluido-fluido. Utiliza solucionadores avanzados para transformar las leyes físicas de ecuaciones diferenciales parciales en ecuaciones algebraicas y resolverlas de forma eficiente.
Los ingenieros y analistas utilizan ordenadores para realizar estos cálculos y simular el fluido que fluye libremente y su interacción con las superficies. Utilizando sofisticados ordenadores o superordenadores, se pueden obtener soluciones precisas con gran rapidez, incluso para las cuestiones más complejas.
La CFD se utiliza en diversos ámbitos, como:
- Ingeniería aeroespacial para simular la aerodinámica de aviones, flujo turbulento/laminar, flujo compresible/incompresible, diseño de perfiles aerodinámicos, máquinas rotativas, etc.
- Fabricación electrónica como simulación de baterías, refrigeración, etc
- Calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
- Automóviles para simular la aerodinámica de piezas de automóviles, tuberías y válvulas
- Prevención de la cavitación
- Equipamiento deportivo, y mucho más
¿Cómo funciona el análisis CFD?
En general, el análisis CFD implica tres fases principales:
Preprocesamiento: Es cuando el problema del flujo de fluidos se transforma en un modelo informático discreto e ideal. Los ingenieros y analistas hacen algunas suposiciones basadas en el tipo de flujo, como compresible, incompresible, estacionario, transitorio, viscoso, no viscoso, etc. También crean una malla y aplican condiciones de contorno en las superficies que interactúan.
Resolución: El análisis CFD utiliza potentes solucionadores que realizan cálculos reales sobre los problemas o ecuaciones del flujo de fluidos y aportan soluciones precisas y rápidas.
Postprocesado: Los analistas visualizan y analizan los resultados en la fase final para concluir en forma de tablas, gráficos, imágenes en movimiento, etc.
¿Cuáles son las ventajas del análisis CFD?
El análisis CFD es beneficioso en el desarrollo de productos de muchas maneras:
#1. Eficacia
Analizar y resolver ecuaciones complejas llevaría muchísimo 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 gran velocidad y precisión, ahorrándole esfuerzos y tiempo.
#2. Más flexibilidad
Puede medir cantidades limitadas a la vez por medios manuales. Sin embargo, el análisis CFD le permite medir todas las cantidades físicas que desee simultáneamente con altas resoluciones gracias a su excepcional potencia de cálculo. Ayuda a trasladar su diseño rápidamente a las pruebas físicas y a la fabricación.
#3. Retroalimentación práctica
Los ingenieros pueden crear diseños y probar su eficacia antes de la construcción con la ayuda del análisis CFD. Le permite cambiar la forma, estructura, tamaño, escala, etc. de su modelo fácilmente en el software y finalizar el más eficiente.
#4. Experiencia en el 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.
Conclusión
El software de análisis CFD le permite visualizar y analizar problemas relativos al flujo de fluidos, la transferencia de calor, etc., en el diseño de sus productos. Puede resolver estos problemas con rapidez y precisión para permitir un diseño y desarrollo de productos más seguros y de calidad.