Software de simulación de dinámica de fluidos computacional

La simulación de dinámica de fluidos computacional simula la dinámica de fluidos como líquidos y gases, así como partículas en suspensión y mezclas de estos. El comportamiento de los fluidos se describe mediante modelos como las ecuaciones de Navier-Stokes y el método de Lattice Boltzmann, con variables como la presión, la densidad, la viscosidad aparente, la viscosidad dinámica, la velocidad y la aceleración. En muchos escenarios, las ecuaciones de dinámica de fluidos a menudo no tienen una solución analítica conocida, especialmente para comportamientos complejos como la turbulencia. Por lo tanto, la simulación de dinámica de fluidos computacional es necesaria para resolverlos.

La resolución de ecuaciones del flujo de fluidos no es algo trivial: no se conoce una solución analítica general para las ecuaciones de Navier-Stokes, por lo que hay que recurrir a técnicas numéricas. Los métodos de elementos de contorno, elementos finitos o diferencias finitas se encontraban inicialmente entre los métodos de simulación de dinámica de fluidos computacional más comunes, pero los métodos de volumen finito han ganado protagonismo en los últimos 20 años y ahora son estándar. Más recientemente, el aumento del rendimiento del hardware ha hecho que los métodos de Lattice Boltzmann también sean viables.

Como no existe el mejor método de simulación de dinámica de fluidos computacional para todas las aplicaciones, los ingenieros deben elegir la herramienta adecuada para cada flujo de trabajo industrial.

Euleriano-lagrangiano acoplado: la hidrodinámica euleriano-lagrangiana acoplada y de partículas suavizadas (SPH) es ideal para problemas de interacción fluido-estructura (FSI) altamente acoplados, como la hidráulica no compresible. Estos métodos se implementan en SIMULIA Abaqus/Explicit.

El solver de volumen finito es más adecuado para flujos estacionarios o moderadamente transitorios, como los que se encuentran en flujos de tuberías, intercambiadores de calor, bombas y aplicaciones de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Este método se utiliza en SIMULIA Fluid Dynamics Engineer (FMK).

Como técnica transitoria, el método Lattice Boltzmann (LBM) es más aplicable a flujos altamente transitorios como la aerodinámica y la aeroacústica. Puede gestionar modelos muy exigentes tanto en términos de complejidad geométrica como de detalle. La tecnología LBM también puede ser eficaz para aplicaciones multifase que gestionan modelos complejos que incluso pueden incluir piezas móviles arbitrarias. Dassault Systèmes SIMULIA ofrece dos productos LBM. SIMULIA PowerFLOW es ideal para los escenarios aerodinámicos, acústicos y de suciedad habituales en las industrias aeroespacial y automovilística. Al mismo tiempo, SIMULIA XFlow se utiliza normalmente para problemas complejos de movimiento y multifase, como lubricación, chapoteo y algunas aplicaciones de ciencias de la salud.

Ambos métodos son potentes solvers de dinámica de fluidos computacional, pero utilizan enfoques diferentes y tienen ventajas distintas. Los métodos Navier-Stokes tratan el fluido como un continuo, mientras que el método Lattice Boltzmann lo trata como partículas discretas.

Para resolver computacionalmente las ecuaciones de Navier-Stokes, el espacio físico a simular se divide en muchos pequeños subdominios denominados volúmenes de control o celdas. Las ecuaciones se discretizan a través de las celdas y el conjunto resultante de ecuaciones algebraicas se resuelve iterativamente para obtener la presión, velocidad, temperatura (y otras magnitudes físicas) en cada celda para flujos estacionarios o no estacionarios. Otras ecuaciones de transporte discretizadas pueden resolverse del mismo modo para representar otros fenómenos físicos como la turbulencia y las especies químicas.

El método Lattice Boltzmann de simulación de dinámica de fluidos computacional sigue el movimiento microscópico de las partículas de fluido a través de un espacio y un tiempo discretos, para simular el flujo de gases y líquidos. El espacio fluido se discretiza automáticamente en vóxeles cúbicos y los límites en surfels, eliminando la necesidad de generar mallas convencionales de superficie y volumen. El enfoque de modelado de turbulencias Very Large Eddy Scale (VLES) garantiza que las estructuras anisótropas de los fluidos se capturen con gran fidelidad, lo que es fundamental para los flujos de trabajo de aerodinámica y aeroacústica.

Sí, varias técnicas de computación de alto rendimiento (HPC) pueden acelerar la simulación de dinámica de fluidos computacional. La aceleración GPU acelera el proceso de simulación y permite simular modelos más grandes y complejos en una sola estación de trabajo. Una GPU puede tener la potencia de más de 1000 núcleos de CPU: las GPU reducen el coste del hardware y permiten la supercomputación de sobremesa. La aceleración de GPU múltiple proporciona aún más velocidad, resolviendo escenarios extremadamente grandes o complejos que no pueden simularse de otro modo. La GPU beneficia a todos los códigos de dinámica de fluidos computacional, pero es especialmente eficaz para la simulación por el método Lattice Boltzmann (LBM).

La computación en clúster puede simular escenarios aún mayores. La nube ofrece un mayor control de los procesos de simulación por lotes. Está disponible tanto en la versión local como en la nube. La nube local utiliza hardware operado por la empresa del usuario, mientras que la nube en línea envía los datos a servidores seguros para su procesamiento. La nube en línea es una buena opción para usuarios con necesidades de simulación irregulares o periódicas, ya que evita la necesidad de invertir en hardware que solo se utilizaría ocasionalmente.