Afrontar y superar los principales desafíos de la simulación de dinámica de fluidos CFD

Las respuestas propuestas correspondían a las cuatro principales fases del proceso de un análisis de dinámica de fluidos:

• La preparación y el tratamiento de la geometría para hacerla utilizable por el mesher
• La creación de la malla fluidodinámica
• Los tiempos de cálculo asociados a la resolución numérica
• La fase de visualización y compartición de los resultados

Este es el resultado de la encuesta:

A continuación, analizaremos y contextualizaremos estos resultados, indicando también cómo pueden afrontarse y superarse estos desafíos gracias a la tecnología de simulación de Siemens Digital Industries Software.

El primer paso que se lleva a cabo en la creación de un modelo fluidodinámico CFD está relacionado con el tratamiento de la geometría. Según nuestra experiencia, una geometría CAD diseñada para pasar a producción casi nunca puede utilizarse directamente para una simulación CFD. Por numerosos motivos:

• La presencia de detalles geométricos funcionales para el montaje del sistema, que a menudo se encuentran en zonas de poco interés para el análisis y cuyo único efecto es complicar el modelo. Estos detalles deben eliminarse antes de comenzar a crear la malla.
• En muchas ocasiones, la geometría no es perfectamente watertight, es decir, estanca, de manera que delimite claramente el volumen del dominio fluido. Es necesario corregir la geometría eliminando los pasos de fluido no deseados entre el interior y el exterior.
• Normalmente, con el CAD se crea el volumen del “sólido”, mientras que para el análisis CFD se necesita su complemento. Se requieren comandos de modelización geométrica o herramientas automáticas para reconocer el volumen del “fluido”.
• Se desea utilizar el análisis fluidodinámico para realizar análisis “what-if”, con el fin de evaluar el efecto de las modificaciones geométricas sobre el comportamiento termo-fluidodinámico. Para ello, es necesario poder parametrizar la forma y la posición de las distintas partes del modelo CFD.

Veamos cómo se pueden satisfacer estas necesidades con las distintas herramientas de simulación de Siemens.

Modelización CFD integrada en el CAD con Simcenter FloEFD

Simcenter FLOEFD aborda el problema del tratamiento de la geometría de una manera sencillamente brillante: ¡se encarga de hacerlo todo! Dado que funciona dentro de un modelador CAD, Simcenter FloEFD dispone de un automatismo capaz de detectar automáticamente el volumen del fluido a partir de las superficies mojadas internas y externas de los cuerpos del ensamblaje. En función del tipo de análisis que se desee realizar, FloEFD es capaz de identificar por sí solo las distintas cavidades presentes en el modelo y permite al usuario incluirlas o no en el análisis.

Cuando la geometría no permite delimitar un volumen cerrado (es decir, no es watertight), el usuario dispone de una herramienta visual que ayuda a identificar rápidamente dónde se encuentra la fuga que debe cerrarse, para posteriormente intervenir con los comandos de modelización geométrica del CAD. Gracias a su estrecha integración con el modelador geométrico, Simcenter FloEFD permite realizar fácilmente estudios fluidodinámicos paramétricos y optimizaciones del diseño.

Identificación automática del volumen de fluido con Simcenter FLOEFD para Solid Edge:

El tratamiento de la geometría con Simcenter 3D

Los cimientos del modelador de Simcenter 3D se basan en el CAD NX de Siemens, probablemente el mejor modelador geométrico del mercado actual. Gracias a los comandos de modelización directa ofrecidos por la Tecnología Síncrona de NX, el usuario de Simcenter 3D dispone de todas las funciones necesarias para limpiar, simplificar e idealizar la geometría objeto del estudio.

Además, está disponible un comando wrapper que permite aproximar y simplificar automáticamente las superficies del volumen fluido para que el mesher pueda gestionarlas más fácilmente. También en este caso, gracias a su estrecha integración con el modelador geométrico, Simcenter 3D facilita la realización de estudios fluidodinámicos paramétricos y la optimización del diseño.

Simcenter STAR-CCM+ y la conexión directa con el CAD

Aunque STAR-CCM+ dispone de un modelador geométrico interno, las operaciones de modificación de la geometría se delegan en el CAD con el que se ha creado el proyecto. En este caso, el punto fuerte de Simcenter STAR-CCM+ son los conectores directos con los distintos sistemas CAD, que permiten el intercambio bidireccional de información.

Es precisamente a través de esta conexión con el CAD nativo como es posible actualizar el modelo para realizar estudios what-if y explorar el espacio de diseño: el optimizador de STAR-CCM+ controla el CAD paramétrico para modificar la geometría. STAR-CCM+ permite trabajar indistintamente con superficies de tipo NURBS y con superficies trianguladas STL, ofreciendo una mayor flexibilidad para limpiar y aproximar las formas geométricas mediante el wrapper. STAR-CCM+ también dispone de herramientas para reconocer automáticamente el volumen del fluido interno y externo.

Una vez que la geometría se ha limpiado de los detalles que no son funcionales para el análisis y después de haber identificado el volumen del fluido que se va a modelizar, llega el momento de generar la malla fluidodinámica. Este aspecto también es fundamental para el buen desarrollo del análisis CFD.

• Una discretización no óptima del modelo puede dar lugar a aproximaciones o incluso a errores en los resultados del análisis.
• La malla debe ser capaz de capturar correctamente los detalles geométricos, siguiendo la curvatura de las superficies y evitando introducir aproximaciones debidas a una poligonalización excesiva.
• El modelo CFD debe contar con la resolución espacial adecuada. Esto permite simular tanto el comportamiento del flujo principal como el de la capa límite en las proximidades de las paredes.
• Todo ello manteniendo bajo control el número total de celdas del modelo para poder obtener los resultados en unos tiempos razonables (hablaremos de ello con más detalle en el próximo apartado).

Las tres soluciones de análisis fluidodinámico de Siemens ponen a disposición del usuario distintos enfoques para obtener rápidamente una malla de buena calidad.

El enfoque SmartCells de Simcenter FLOEFD

Simcenter FLOEFD utiliza un enfoque de modelización CFD diferente al de la mayoría de los programas de análisis fluidodinámico, basado en la tecnología SmartCells. Intentando explicarlo de forma muy sintética, las SmartCells son celdas de tipo cartesiano (cubos) que se crean automáticamente y engloban el dominio de cálculo. Cuando una SmartCell interseca el límite del dominio fluido y sólido, la superficie del modelo la recorta, obteniendo de hecho una celda poliédrica. El mesher dispone de criterios automáticos para determinar el refinamiento local de la malla en las proximidades de detalles como aristas y redondeos, o para discretizar mejor el paso del fluido entre dos paredes muy próximas entre sí.

Además, el usuario dispone de una serie de controles manuales con los que puede refinar localmente la malla en las zonas en las que considere oportuno hacerlo. También es posible establecer niveles de refinamiento automático que permiten al solver refinar localmente la malla en las zonas en las que los gradientes de los resultados son elevados al pasar de una celda a otra contigua. Todo ello con el objetivo de garantizar la máxima automatización de la fase de mallado y, al mismo tiempo, la máxima precisión de los resultados.

Los meshers fluidodinámicos de Simcenter 3D

Simcenter 3D dispone del módulo Advanced CFD Mesher, que pone a disposición del usuario las herramientas habituales de mallado fluidodinámico. En particular, permite modelizar la capa límite en pared mediante un enfoque semiestructurado, para después rellenar el resto del volumen con celdas tetraédricas. El mesher de Simcenter 3D también permite realizar la transición entre celdas de forma cúbica y tetraedros mediante celdas de forma piramidal.

Además de este tipo de modelización, el Flow Solver de Simcenter 3D dispone de dos algoritmos automáticos para rellenar el volumen del fluido con celdas tetraédricas o utilizando el enfoque Immersed Boundary Method, que emplea una malla cartesiana para posteriormente recortar y refinar las celdas en las proximidades de las paredes.

Cabe destacar que el entorno Advanced CFD Mesher de Simcenter 3D también puede exportar el modelo a los principales solvers comerciales, como Fluent, CFX o STAR-CCM+, convirtiéndose así en el núcleo de cualquier workflow de simulación fluidodinámica.

La malla poliédrica de Simcenter STAR-CCM+

Cuando se habla de la creación de una malla fluidodinámica, Simcenter STAR-CCM+ es sin duda una de las herramientas más avanzadas disponibles en el mercado. En lo que respecta a los detalles geométricos, STAR-CCM+ dispone de potentes algoritmos de mesh-on-mesh superficial que permiten crear mallas muy fieles, incluso a partir de superficies STL.

Además, STAR-CCM+ fue pionero en la creación de mallas de tipo poliédrico, es decir, con celdas que no tienen que respetar necesariamente una forma bien definida, como un cubo, un prisma, una pirámide o un tetraedro. Este enfoque ofrece dos grandes ventajas. La primera es que, con las celdas poliédricas, es posible rellenar siempre un volumen de forma automática. La segunda es que las celdas poliédricas, por su propia formulación, ofrecen una velocidad de convergencia del análisis superior a la de una malla no estructurada con tetraedros. Además, las celdas poliédricas pueden ser de tipo no estructurado o estructurado: en el dominio principal del flujo, la malla está formada por cubos que posteriormente se recortan y refinan en la zona de intersección con las paredes.

Todas estas funciones, combinadas con un boundary layer mesher muy robusto y fiable y con el remesh adaptativo durante el cálculo, permiten crear modelos CFD precisos prácticamente para cualquier geometría.

Uno de los principales cuellos de botella de las simulaciones de dinámica de fluidos sigue siendo el tiempo de cálculo de los análisis. Por un lado, la CFD es una técnica numérica especialmente exigente en términos de recursos computacionales; por otro, las simplificaciones y automatizaciones en la generación de la malla dan lugar a modelos cada vez más grandes.

Afortunadamente, el enfoque CFD basado en el método de los volúmenes finitos permite una amplia escalabilidad y paralelización del cálculo. Esta propiedad del método numérico, junto con la disponibilidad de hardware con procesadores multinúcleo y de sistemas Cloud HPC (High Performance Computing) accesibles bajo demanda, permite hoy en día analizar modelos de gran tamaño en tiempos compatibles con las necesidades del proceso de diseño.

El rendimiento computacional de Simcenter FLOEFD

El enfoque de Simcenter FLOEFD se basa no solo en las SmartCells para discretizar los volúmenes, sino también en el uso de las leyes de pared para modelar el comportamiento de la capa límite y en un modelo de turbulencia propietario capaz de gestionar automáticamente la transición entre flujo laminar y turbulento. Esto significa que, por lo general, un modelo de Simcenter FLOEFD contiene muchas menos celdas y requiere menos iteraciones de ajuste que las necesarias para alcanzar el mismo nivel de precisión con un enfoque CFD más “ortodoxo”.

Además, el solver de Simcenter FLOEFD permite paralelizar el cálculo en sistemas de memoria compartida, es decir, en un único ordenador equipado con varias CPU y múltiples núcleos. Esto contribuye a reducir aún más los tiempos de cálculo, convirtiendo a Simcenter FLOEFD en una herramienta adecuada para estudios preliminares y para la exploración de variantes durante la fase de diseño.

El módulo HPC Multiphysics de Simcenter 3D

Los módulos Simcenter Flow y Simcenter Thermal, al estar ambos basados en el método de los volúmenes finitos, disponen también de un módulo HPC Multiphysics que permite paralelizar el cálculo tanto en sistemas de memoria compartida (es decir, una única estación de trabajo multinúcleo) como en sistemas de memoria distribuida (es decir, un clúster de ordenadores conectados en red).

Esta paralelización también permite utilizar la GPU para calcular los factores de vista en los análisis térmicos y termofluidodinámicos que incluyen intercambio de calor por radiación.

Los solucionadores multifísicos de STAR-CCM+

STAR-CCM+ es un referente en términos de rendimiento computacional y escalabilidad en las simulaciones de dinámica de fluidos y multifísicas. En particular, el uso de licencias de tipo Power-on-Demand y Power Session permite ejecutar todas las físicas y los solucionadores de STAR-CCM+ en un número prácticamente ilimitado de núcleos de cálculo. Todo ello, junto con el uso de mallas poliédricas, facilita la gestión de modelos muy complejos y de estudios de optimización con tiempos de respuesta finalmente compatibles con los plazos de desarrollo del producto.

Además, gracias a la disponibilidad de sistemas HPC Cloud como Rescale, que cuentan con instalaciones preconfiguradas de STAR-CCM+, hoy en día cualquier empresa puede acceder fácilmente y a un coste contenido a la potencia de cálculo que necesita para sus simulaciones.

Aunque este ha sido el aspecto menos votado en la encuesta, sigue siendo una parte importante del flujo de trabajo de los análisis CFD. Es precisamente en esta fase cuando el ingeniero debe interpretar los resultados del análisis y compartir la información con sus compañeros para tomar las decisiones más adecuadas para el proyecto. Además de las herramientas tradicionales de visualización y posprocesado, el software CFD debe disponer de funciones específicas para la elaboración de informes y la compartición de resultados.

El posprocesador de Simcenter FLOEFD

Simcenter FLOEFD pone a disposición del usuario una colección de herramientas de visualización de resultados de fácil acceso y uso. Además de las funciones tradicionales propias de los visualizadores CAE, FLOEFD cuenta con un panel específico para la representación gráfica del flujo de calor dentro del modelo. Se trata de una herramienta única en su género, que ayuda al diseñador a comprender cómo se transmite el calor a través de los distintos componentes del conjunto y, a partir de ahí, definir la estrategia de refrigeración más adecuada para el sistema. Además, Simcenter FLOEFD dispone de FLOEFD Viewer, que permite compartir escenas 3D interactivas y animar los resultados.

Flujo de trabajo CFD integrado en el PLM con Simcenter 3D

Simcenter 3D dispone de plantillas que permiten estandarizar la visualización de los resultados para facilitar la comparación entre distintas variantes de un mismo proyecto.

Simcenter 3D está totalmente integrado con el entorno PLM Teamcenter for Simulation de Siemens, que permite almacenar los datos de la simulación y compartir vistas previas y los principales resultados en formato JT, de modo que también puedan visualizarlos e interpretarlos quienes no estén familiarizados con el modelado CFD.

Resultados CFD fácilmente accesibles con Simcenter STAR-CCM+

La visualización de modelos cada vez más grandes obliga a los usuarios a enfrentarse a los cuellos de botella relacionados con la gestión de grandes volúmenes de datos. Simcenter STAR-CCM+ no solo dispone de herramientas de visualización muy eficaces que eliminan la necesidad de transferir archivos de datos de gran tamaño, sino que, gracias a su sistema de scripting en Python, también permite automatizar por completo el posprocesado del modelo.

Con Simcenter STAR-CCM+ y los complementos Simcenter STAR-CCM+ Viewer y Simcenter STAR-CCM+ Virtual Reality, es posible crear informes completos, con abundante información y gráficos visualmente atractivos, en un único entorno; analizar y comparar fácilmente los resultados de cientos de simulaciones; y compartir de forma sencilla la información necesaria dentro del equipo de trabajo.

Las soluciones de Siemens DISW son capaces de satisfacer las necesidades de los analistas CFD en las cuatro fases principales del flujo de trabajo:

• Tratamiento de la geometría
• Generación de la malla
• Tiempos de cálculo
• Compartición de resultados

Lo hacen mediante distintos enfoques, adaptados a una amplia variedad de usuarios y modalidades de uso.

Veamos brevemente sus principales características.

Simcenter FLOEFD

Es una solución ideal tanto para simulaciones preliminares como para verificaciones detalladas de sistemas termofluidodinámicos. Utiliza un enfoque diferente al de la mayoría de los programas de CFD. Permite automatizar al máximo el proceso de análisis e integrarse con la mayoría de los programas CAD, entre ellos Solid Edge y NX. En el siguiente vídeo se muestra un flujo de trabajo de análisis termofluidodinámico con Simcenter FLOEFD para Solid Edge:

Simcenter 3D

Es la plataforma de simulación multidisciplinar de Siemens DISW, que incluye, entre otros, entornos para el análisis estructural, dinámico, acústico, de sistemas multicuerpo y, por supuesto, para el análisis termofluidodinámico. Los solucionadores Thermal y Flow de Simcenter 3D se pueden integrar con los demás entornos de la suite, lo que permite crear modelos multifísicos. Al estar basado en NX, ofrece un alto nivel de personalización gracias a las API NX Open, que permiten desarrollar flujos de trabajo CFD automatizados, como el que se muestra en este vídeo:

Simcenter STAR-CCM+

Está reconocido como uno de los programas comerciales de CFD más avanzados del mercado. Dispone de modelos matemáticos muy sofisticados que permiten simular fenómenos fluidodinámicos de gran complejidad. Además de la mecánica de fluidos, STAR-CCM+ permite modelar fenómenos estructurales, electromagnéticos, reológicos y de muchas otras disciplinas.