Modelizar un radiador con STAR-CCM+: el modelo Dual Stream Heat Exchanger

Ahora queda el desafío decisivo a escala de vehículo: ¿cómo hacemos que un simple bloque poroso intercambie calor en el vano motor sin tener que modelar la geometría interna de los conductos de agua?

Si nos limitáramos a aplicar una potencia fija al bloque poroso, cometeríamos un error conceptual imperdonable: el rendimiento del radiador varía continuamente en función del caudal de aire local, del caudal del refrigerante y de la diferencia de temperatura instantánea.

Si nos quedamos únicamente con el modelo de medio poroso descrito en el segundo artículo, nuestro bloque paralelepipédico ralentiza correctamente el aire (Darcy-Forchheimer) y extrae correctamente potencia térmica del dominio (UAG), pero lo hace de una manera, por así decirlo, turbocapitalista: el calor cedido al aire aparece simplemente en los balances, sin que exista ningún responsable que se haga cargo de él.

Está perfectamente bien si el único objetivo es evaluar la aerodinámica del vano motor o la temperatura del aire aguas abajo del radiador. Pero si queremos cerrar el ciclo térmico, es decir, saber cuánto se enfría el líquido refrigerante al atravesar el paquete de radiadores, comprobar la temperatura de impulsión al motor y dimensionar la bomba, necesitamos un modelo que tenga en cuenta el balance en ambos lados del intercambio, no solo en el lado del aire.

En otras palabras, necesitamos un componente capaz de hacer que dos flujos distintos (el aire exterior y el refrigerante interno) “hablen” entre sí a través de una interfaz de intercambio térmico, sin tener que modelar cada uno de los tubos del radiador.

Y, sobre todo, debe hacerlo permitiendo que tanto el flujo de aire como el de líquido refrigerante lo atraviesen, cada uno con sus propias pérdidas de carga, pero sin que se mezclen entre sí.

Y esa es exactamente la función del Dual Stream Heat Exchanger.

El modelo Dual Stream de STAR-CCM+ está diseñado exactamente para este escenario: dos dominios fluidos topológicamente separados (el aire que atraviesa el bloque poroso y el refrigerante que circula por el circuito primario) se acoplan térmicamente sin que el solver tenga que resolver la geometría detallada de los tubos y las aletas. Los dos fluidos nunca se mezclan, pero intercambian energía: el calor extraído del agua se inyecta en el aire en función de las ecuaciones locales del intercambio térmico.

A diferencia del modelo Single Stream, en el que el calor intercambiado se impone o depende de una única corriente, utilizado normalmente para condensadores o intercambiadores con cambio de fase en el otro lado, el Dual Stream realiza un seguimiento simultáneo de las condiciones térmicas de ambas corrientes, aire y refrigerante, actualizándolas mutuamente en cada iteración.

Para funcionar correctamente, un DSHE requiere la definición de una malla común y duplicada, de forma que se garantice la coincidencia nodo a nodo, y que pertenezca a dos Physics Continua separados; una de las dos físicas representa el hot stream (el circuito de refrigeración del motor) y la otra el cold stream (el aire que atraviesa el radiador).

El primer obstáculo práctico es de naturaleza geométrica, no física: el Dual Stream Heat Exchanger no es una simple condition que se pueda aplicar a un bloque poroso aislado. Requiere una topología específica, compuesta por tres elementos:

• La región “cold stream”, es decir, nuestro bloque poroso, ya caracterizado con los coeficientes de Darcy-Forchheimer del segundo artículo.
• La región “hot stream”, que representa el circuito de refrigeración del motor: puede modelizarse como un volumen 3D simplificado (a menudo un simple conducto equivalente), pero también como una topología 1D o 0D que solo incorpora el caudal másico y la temperatura.
• Las dos Heat Exchanger Interface, que conectan las dos regiones y permiten al solver intercambiar la información de temperatura y flujo térmico en cada iteración, sin que las dos mallas tengan que ser conformes ni siquiera estar superpuestas espacialmente.

Antes de confiar ciegamente en el modelo macroscópico, siempre merece la pena realizar una comparación cruzada entre los tres niveles de fidelidad construidos a lo largo de esta trilogía:

• Comparar la potencia térmica Q y la caída de presión ΔP previstas por el modelo Dual Stream, bajo las mismas condiciones de contorno, con las curvas extraídas de la simulación detallada del Artículo 1;
• Verificar que la temperatura de salida del refrigerante del Dual Stream Heat Exchanger sea coherente con el ΔT esperado a partir del balance energético global;
• Si están disponibles, comparar ambos niveles con los datos del banco de pruebas físico del componente, cerrando así la cadena de validación desde el detalle geométrico hasta el modelo de sistema.

Solo cuando estos tres niveles (detalle, RVE poroso y Dual Stream) cuentan la misma historia podemos considerar que nuestro «bloque» de radiador está realmente listo para integrarse, sin sorpresas, en un modelo completo del vano motor.

¿Y sabéis qué?

¡A mí siempre me cuadra perfectamente!

Lo que veréis a continuación es un ejemplo de integración de un radiador de una moto eléctrica, en el que se ha analizado el circuito de refrigeración en una condición de funcionamiento que reproduce los datos de telemetría de pista.

Entre los distintos modelos utilizados, se ha incluido precisamente un radiador caracterizado mediante esta metodología, en el que el intercambio térmico reacciona.

En resumen, el recorrido completo para integrar un radiador en una simulación underhood a nivel de vehículo queda así:

• 1. Simulación detallada (Artículo 1) — CHT de alta fidelidad sobre un módulo o sobre el paquete completo, para validar la física y obtener el «banco de pruebas virtual».
• 2. Caracterización del medio poroso (Artículo 2) — extracción de los coeficientes Pi, Pq (Darcy-Forchheimer) y UAGvol a partir de un RVE representativo, independientes del tamaño global del radiador.
• 3. Integración mediante Dual Stream Heat Exchanger — conexión del bloque poroso con la región del refrigerante mediante las Heat Exchanger Interface, utilizando la eficacia ε derivada de nuestro UAGvol.

El resultado final es un modelo del vano motor completo que se ejecuta en un tiempo de cálculo razonable, pero que conserva en su interior, de forma sintética pero correcta, toda la física del intercambio térmico que habíamos observado en la simulación detallada de las 42 millones de celdas.

La hemos destilado en cuatro coeficientes físicos mediante un RVE representativo.

Y, finalmente, hemos conseguido que “hable” con el resto del circuito de refrigeración mediante el Dual Stream Heat Exchanger, cerrando el ciclo térmico sin perder nunca de vista la física de partida.

Un recorrido que, si queremos, es la síntesis perfecta de lo que significa hacer CFD en el ámbito industrial: nunca se trata de elegir entre precisión y eficiencia, sino de construir el puente adecuado, metodológicamente sólido, que nos permita llevar la primera dentro de la segunda.