Fluido Computacional

Dinámica de fluidos

La dinámica de fluidos es una rama de la física relativamente reciente (comienzos del siglo XX), aunque los conceptos en los que se basa se remontan a la antigua Grecia, a los trabajos teóricos de Leonardo Da Vinci, y posteriormente al trabajo de un gran número de físicos como Torricelli, Euler, Bernoulli, etc.

La dinámica de fluidos estudia los movimientos de los fluidos (gases y líquidos), debido a la acción de fuerzas, o a su interacción con otros medios y con el contorno que los delimita.

En realidad la dinámica de fluidos forma parte de un campo más amplio denominado mecánica de fluidos, del cual derivan tanto la estática de fluidos (estudia los fluidos en reposo), como la dinámica de fluidos (estudia los fluidos en movimiento).

En la actualidad, la mecánica de fluidos es una parte esencial de muchas áreas de la tecnología y la ciencia actual, destacando su papel en el diseño de toda clase de vehículos (aviones, barcos, coches, etc), estudios del flujo de aire atmosférico, medicina y biología (flujo de sangre y otros fluidos), ingeniería industrial, etc, etc.

Dinámica de fluidos computacional

En la actualidad en muchos campos es imposible recurrir a soluciones analíticas debido a la tremenda complejidad de los sistemas que estudia la dinámica de fluidos, por lo que se recurre a soluciones numéricas que pueden ser computadas por ordenadores.

Surge así una rama de la dinámica de fluidos denominada dinámica de fluidos computacionales, o CFD, que se basa en aproximaciones numéricas de las ecuaciones físicas empleadas en la dinámica de fluidos.

Hipótesis del medio continúo

Además de considerar los fluidos ideales, uno de los cimientos de la dinámica de fluidos es la hipótesis del medio continuo, que consiste en asumir que el fluido es continuo a lo largo de todo el volumen que ocupa. Esto simplifica mucho el problema, ya que se puede asumir que todas las magnitudes del fluido que queremos estudiar van a regirse siempre por funciones continuas.

Esta hipótesis, al igual que la de los fluidos ideales, no siempre es aplicable, dependiendo en este caso de una magnitud medible denominada número de Knudsen. Cuando esta hipótesis no es aplicable, es necesario recurrir a la mecánica estadística en lugar de a la mecánica de fluidos.

-Aplicaciones de la CFD.

Aparte de las numerosas aplicaciones ya mencionadas, conviene destacar los dos enfoques utilizados concretamente en la dinámica de fluidos computacional, y que dan lugar al desarrollo de técnicas muy diferentes en función de los objetivos buscados.

Estos dos enfoques de los que hablamos se podrían denominar: gráficos y simulación.

La CFD aplicada a gráficos

Es muy interesante modelar fluidos de aspecto realista en multitud de aplicaciones, destacando los juegos de ordenador, el cine, o incluso la creación de texturas y efectos visuales para programas de dibujo y retoque fotográfico.

En estas aplicaciones se busca un modelo que estéticamente dé buenos resultados, no siendo necesario que el comportamiento del modelo se ajuste exactamente al comportamiento de un fluido real.

Si bien en el cine no es un requisito, en el caso de los juegos sí que es necesario el tiempo real, por lo que estas técnicas, además de plausibles, muchas veces tienen que ser rápidas y eficientes.

La CFD aplicada a simulación

A veces no nos basta con un modelo que “parezca” comportarse como un fluido, sino que necesitamos conocer de forma muy exacta cómo se comporta un fluido realmente. Los modelos de CFD que se utilicen en cualquier campo de la ingeniería deben ser muy estrictos con la precisión del modelo, procurando que éste se asemeje lo máximo posible al comportamiento real del fluido.

Siempre que se habla de métodos numéricos, como los utilizados en CFD, estamos hablando de aproximación, por lo que muchas veces será imposible garantizar que el modelo es exacto, y todos los esfuerzos se deben centrar en acotar el error y hacer los modelos tan precisos como sea posible. Esto da lugar a que estas técnicas generalmente no sean en tiempo real, ya que tampoco es un objetivo importante en esta clase de aplicaciones.

-Ecuaciones básicas.

Las ecuaciones de Navier-Stokes son un conjunto de ecuaciones que definen el comportamiento dinámico de un fluido. Derivan de aplicar los principios de conservación de la mecánica y de la termodinámica al fluido, de donde se obtiene una formulación integral que generalmente se suele transformar en una formulación diferencial más práctica

Ecuaciones de Euler

Las ecuaciones de Euler definen el movimiento de un fluido en el caso especial de fluidos compresibles y no viscosos.

Ecuacion de bernoulli

Este teorema es de gran importancia en el estudio de la dinámica de fluidos, ya que nos proporciona una relación entre la presión y la velocidad dentro del fluido. Estrictamente hablando, este principio sólo se cumple en fluidos ideales (no compresibles), pero en la práctica se aplica en el diseño de superficies aerodinámicas

-Discretizacion de las ecuaciones.

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