APLICACIONES DE LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD) EN LA INGENIERÍA MECÁNICA

APLICACIONES DE LA DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD) EN LA INGENIERÍA MECÁNICA

TERMODINAMICA DE HIDROCARBUROS

Resumen

La dinámica de fluidos computacional o CFD por sus siglas en inglés, maneja la simulación numérica de flujos de fluidos, transferencia de calor y otros fenómenos como reacciones químicas, combustión, Aero acústica, etc., y todo esto trabajado mediante simulaciones realizadas en computadoras.

La CFD abarca amplios campos y su desarrollo ha venido supliendo las demandas y necesidades que ha venido generando la sociedad, es por esto por lo que ha tenido un gran avance y ha podido estar presente en campos como investigaciones científicas, herramientas educacionales, aplicaciones aeroespaciales, generación de energía, desarrollo vehicular y muchas más aplicaciones a la ingeniería.

Al ser un área temática de tanta importancia para el desarrollo y el avance en nuevas tecnologías y, estar encaminada a la solución de las necesidades de la sociedad, es sumamente importante el cuidado que se debe tener en los procesos de obtención de las soluciones numéricas de la CFD, ya que su estudio y seguida solución, son pasos agigantados a la implementación de nuevas maneras de desarrollar tecnologías que se usen en un futuro no muy lejano.  

Abstract

Computational fluid dynamics or CFD for its acronym in English, handles the numerical simulation of fluid flows, heat transfer and other phenomena such as chemical reactions, combustion, Aero acoustics, etc., and all this worked through simulations carried out on computers.

The CFD covers wide fields and its development has been supplying the demands and needs that society has been generating, which is why it has made great progress and has been able to be present in fields such as scientific research, educational tools, aerospace applications, power generation, vehicle development and many more applications to engineering.

Being a thematic area of ​​such importance for the development and advancement of new technologies and, being aimed at solving the needs of society, the care that must be taken in the processes of obtaining the numerical solutions of CFD, since its study and followed solution, are giant steps towards the implementation of new ways of developing technologies that will be used in the not too distant future.

Introducción

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una técnica en la mecánica de fluidos que se emplea en el desarrollo y análisis de flujos dinámicos, esta nos permite desarrollar una simulación no solo numérica (a través de las ecuaciones de Navier-Stokes) sino también grafica (modelamiento 2D y 3D en los sistemas de un proceso) del movimiento de un fluido según sus condiciones. La tecnología de la computadora juega un rol fundamental en la comprensión de la física que involucran los fluidos, que es ampliamente destacada en la ingeniería, pues hace posible una solución simplificada de fenómenos que ocurren en la mayoría de los campos científicos.

Existen variadas aplicaciones del uso de esta herramienta en diferentes campos tales como la ingeniería ,(Diseño de Equipos de proceso como intercambiadores de calor, Bombas del sector industrial, mezcladores, industria petrolera, industria automotriz y aeroespacial, etc.), medicina (Simulaciones en neumología, hemodinámica y procesos relacionados a la fisiología),  ingeniería civil (gestión de recursos hídricos, diseño de tuberías y canales, entre otras) concediendo detalladamente los medios para el estudio experimental de sistemas complejos con una buena eficiencia.

La funcionalidad de un equipo en cualquier industria tiene como propósito establecer los elementos que impiden su rendimiento, dicho esto, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una puerta al perfeccionamiento de los sistemas y una alternativa viable a la precisión y reducción de errores de los métodos en procesos de ingeniería, pues influye en la elaboración y desarrollo de los equipos anteriormente mencionados , de manera que opera como una prueba representativa de un fenómeno físico puesto en un producto antes de su uso, comercialización y distribución. Estos softwares se caracterizan por resolver aproximadamente las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía permitiendo conocer, además, el efecto de una geometría discreta y la propiedad de cada fluido (en patrones) tanto a la entrada como a la salida en un proceso especifico.

En el siguiente ensayo se propone exponer algunas aplicaciones de CFD en la ingeniería mecánica como son: el diseño y optimización de máquinas rotativas en la que se analiza la centrifugación de un fluido en términos de presiones y velocidades, la evaluación de la extracción del aire contaminado en plantas y equipos de alimentación en una industria, el acondicionamiento de equipos electrónicos para la disminución de fallas térmicas (perdidas por calor) y la transferencia de calor en tuberías.

El estudio generalizado de CFD en ingeniería mecánica se centra en el calor como factor fundamental en el comportamiento de los fluidos o corrientes ya que este impide el aprovechamiento de su potencia y el adecuado uso de los equipos, esta tecnología reconstruye empíricamente redes en base a programación numérica con objeto de definir un modelo de “dominio” que verifique y asemeje un proceso real, así mismo pretende estimar propiedades de transporte hasta generar un  patrón que determine un modelo ideal de turbulencia en cualquier objeto de estudio.

Metodología

El poder trabajar con CFD permite recrear de manera real un modelo de algún producto en forma digital, evitando así el tener que realizar prototipos físicos para pruebas. En la mecánica, se utiliza CFD para realizar pruebas de diseño y funcionamiento de máquinas, como, por ejemplo:

Maquinas rotativas

 Las maquinas rotativas son un tipo de maquina eléctrica, que se encargan principalmente en convertir la energía mecánica en energía eléctrica, y cuenta con piezas que ayudan en su función de rotación como lo son los dínamos, alternadores, motores, entre otros.

Al generar un diseño en CDF de una maquina rotativa, se puede ver el funcionamiento de la bomba impulsando el fluido a través del sistema, de manera que permita ver si el movimiento del caudal es correcto o es necesario realizar correcciones.

Extracción de aire contaminado

En algunas industrias es inevitable trabajar con químicos, por lo que en varias ocasiones se pueden encontrar partículas de químicos o contaminantes en el aire que pueden afectar la vida del personal, por ende, las industrias implementan sistemas para extraer el aire contaminado. CFD se aplica en estas ocasiones para realizar diseños de un sistema que permita realizar una evaluación del aire, un sistema de alimentación en la zona y de ser necesario una evacuación del aire contaminado.

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