MANUAL DE CFD
MANUAL DE CFDPONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANAGIOVANNI ANDRS
SENZ
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
PROYECTO ESPECIAL DE CFD
Realizado por:Giovanni Andrs Senz
MANUAL DE CFD
Presentado a:JORGE ESCOBAR
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL13 FEBRERO - 2014CONTENIDO
1. INTRODUCCIN
2. C.F.D.
3. INTRODUCCIN A EL MANEJO DE FLUENT
4. EJEMPLO.4.1. GEOMETRA4.2. ENMALLADO4.3. SETUP4.4.
SOLUTION4.5. RESULTADOS4.6. GEOMETRA EN 3D
5. BIBLIOGRAFA
INTRODUCCINEste es un manual muy sencillo, en el cual intentara
dar una breve explicacin de manejar el programa, con un ejemplo
sencillo, en que se trataran todos los aspectos sencillos para
observar el comportamiento de fluidos sobre una superficie ya sea
como el agua en un tubo, el aire en un baln o en un vehculo. Con
esta herramienta que nos permite obtener resultados a nivel terico
de un curso de mecnica de fluidos.
CFDLa mecnica de fluidos computacional (CFD) es una de las ramas
de la mecnica de fluidos que utiliza mtodos numricos y algoritmos
para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos en un
determinado espacio. Se utilizan diversos programas en computadores
para realizar miles de clculos necesarios para simular el
comportamiento de fluidos con superficies complejas usadas en la
ingeniera. Mas sin embargo los resultados son aproximados.Hay
diversos programas en los cuales se puede trabajar como lo
son:-Abaqus de Dassault Systmes-fluent de ANSYS (ser el programa
que vamos a trabajar)- Flowlink- Star-CCM+ de adapco
INTRODUCCIN A EL MANEJO DE FLUENT DE WORKBENCHPrincipalmente
debemos saber que para trabajar fluent lo haremos en el programa
Workbench, el cual tiene una serie de programas, sin embargo el
programa que manejaremos ser FLUID FLOW (fluent),
en fluent encontraremos una serie de procedimientos los cuales
debemos cumplir, paso a paso, entre estos esta:
1. Geometry: la geometra del objeto que deseamos analizar2.
Mesh: en esta opcin haremos una serie de mallas con las que
podremos analizar nuestro objeto en cada parte de este.3. setup:
aqu podremos observar y definir las condiciones en las cuales estar
este objeto, como lo es el contorno, materiales, parmetros, tipo de
flujo.4. Solution: en esta opcin no realizaremos nosotros como tal
ningn procedimiento, ya que esto es un proceso en el cual el
programa realiza una serie de iteraciones, para entregarnos una
serie de datos y valores, que interactan con el objeto a nivel
teorico.5. Results: es una representacin grfica de los valores
obtenidos anteriormente, con lo cual podemos analizar con una serie
de contornos, el comportamiento las lneas de flujo con respecto a
el objeto.
En un breve resumen, aqu encontraremos que para realizar este
trabajo se realizara, en tres (3) pasos, los cuales en clase se
definirn como PRE-PROCESO, PROCESO y POST-PROCESO.
PRE-PROCESO: planos y esquema, geometra y enmallados del
objetoPROCESO: clculos y predicciones del modelo, a partir de un
cojuntos de ecuaciones observadas en clase, entre ellas, ley de la
conservacin de la masa.POST-PROCESO: resultados y anlisis de
estos.
EJEMPLO: COMPORTAMIENTO TUBERIA CON CODOS DE 90 EN UN FLUJO
ESTACIONARIO
Para empezar empezaremos con el PRE-PROCESO.GEOMETRA: Como este
manual es una introduccin se trabajara con una geometra
sencilla.Recomendaciones: obtener un plano del objeto que se
analizara, el programa Workbench tiene un CAD, en este caso ser el
que se usara. Recuerden que en nuestro dibujo todas las lneas que
usemos queden bien unidas, ya que el programa no reconocer su
geometra y ser muy difcil, encontrar el problema.En el programa hay
una opcin de insertar dibujos, de AutoCAD, esta opcin es solo
recomendable en el caso que deseen trabajar en 3D, ya que este
dibujo para poder ser insertado deben darle una profundidad
(Extrud), en este caso trabajaremos con algo sencillo y al final
del ejemplo se nombrara como realizar objetos en 3D desde workbench
y se nombrara los pasos a seguir para exportar desde
AutoCAD.Recordemos que en este punto debemos hacer una superficie
de control y el dibujo de nuestro objeto.Un volumen de control es
un espacio arbitrario que se instituye con el objeto de estudiarlo.
Es un sistema termodinmico con la propiedad aadida que se admite la
posibilidad de entradas y salida de masa. Por lo dems, el volumen
de control intercambia calor con una fuente trmica y abajo con una
o varias fuentes de trabajo.
La superficie de control separa el volumen de control del
exterior. Es una frontera imaginaria que puede tener lmites reales
o imaginarios.Paso 1. Plano del objeto que analizaremosTenemos el
siguiente plano o descripcin del proyecto que deseamos trabajar. en
este caso tomaremos como ejemplo el canal de agua que se encuentra
en el laboratorio de hidrulica.Dimensiones tomadas en el
laboratorio. (Vista en planta).
fig. 1. Esquema de tubo de PVC con codo de 90.CARACTERES QUE
DEBEMOS TENER EN CUENTA EN EL MOMENTO DE TRABAJAR NUESTRO PROGRAMA
se a realizado con xito y esta listo para ser trabajado. no se ah
realizado el procedimiento anterior para poder ejecutar el
programa. falta algo por realizar o por ejecutar, para que pueda
ser usado. algo que se realizo esta incorrecto. El programa no
entiende que es lo que desea hacer.
Paso 2. Realizaremos la geometra en el programa.Antes de empezar
a trabajar se debemos colocar en la barra de propiedades de la
geometra en analysis type 2D.
Figura 2. Definicin del tipo de anlisis como 2D en la barra de
propiedades de la geometra.
Como primer paso tenemos abrir el design modeler que hacer parte
de los programas de ANSYS. Al abrirlo creamos cambiamos las
propiedades de la geometra a 2D, y de esta forma damos doble click
en geometra para empezar a dibujar.
FIg. 3Esta es una figura de la pantalla completa donde se
encuentra esta opcin.
IMPORTANTE: definir las unidades (es la primera opcin que dar el
programa al abrir la opcin de geometra) con las cuales vamos a
trabajar, procuren de trabajar tamaos no muy grandes, ya que a la
hora de realizar las mallas y los clculos se tardara mas si son
modelos con tamaos muy grandes, por lo que es prudente realizar una
escala dependiendo de el objeto a trabajar, ya que no es lo mismo
trabajar con el tamao de un baln de futbol a el tamao de un cohete
espacial.
Figura 4. Definicin de las unidades en el design modeler.
si para ustedes es ms cmodo realizar el dibujo teniendo una gua,
o una cuadricula, para ello, podemos activar una opcin que tiene el
programa para tener una cuadricula. esta opcin se realiza de la
siguiente manera.se puede activar una cuadricula con las
dimensiones y las divisiones que se antojen en la pestaa Settings
>Grid >show in 2D. Major Grid Spacing es la longitud de las
divisiones principales y Minor-steps per Major son el nmero de
divisiones secundarias por cuadro. Ej.: Major: 5 (aqu no se le
aaden los sufijos de unidades); Minor: 5 (por cada divisin
secundaria se aumentara 1 cm. Teniendo las unidades definidas y
preparadas la ayuda dada anteriormente observaremos una serie de
lista en la parte izquierda de la pantalla.
Fig. 5 Si observamos debajo de esta lista observaremos que hay
dos botones los cuales sern SKETCHING (dibujando) y MODELING
(modelando), observaremos que en la parte superior se activaran
unos botones y a su vez se desactivaran otros como lo observamos en
la siguiente imagen.Sketching
Modeling
Estos botones los usaremos ms adelante, pero as como esto se
generara una serie de listas segn la opcin que tengamos, observemos
que dependiento de el botn seleccionado tendremos, una serie de
botones que se utilizan en cada uno de lo que eligamos, observemos
que en SKETCHING encontraremos lo siguiente.
Y la de modeling ser la que observaremos, a continuacin.
lo primero que definiremos en el modelo ser el plano en el que
trabajaremos.Para poder entender este listado, debemos conocer que
el programa maneja la opcin de un esquema en 3D, para el caso de
nosotros lo trabajaremos en 2D (alto y largo), para esto le daremos
click en uno de los planos que ms nos guste, en este caso ser XY
Plane, para ello iremos a la parte inferior derecha y le daremos
click encima a la flecha de color azul o del eje Z, con ello, nos
permitir trabajar en el plano XY.Antes: Despues:
Luego de esto tendremos que crear algo asi como una hoja en la
cual podremos dibujar. En el programa se llama Sketch( dibujo) con
este aparecer un numero, indicando que tendremos. Esta opcin se
observa en la siguiente imagen. Esta opcin es fundamental a la hora
de aadir otro dibujo, sin embargo este SKETCH, el programa lo
realiza automticamente empezando a dibujar. Teniendo esto listo,
tenemos que saber el numero de sketch tendremos que utilizar, ya
que asi como se puede utilizar solamente uno, podemos utilizar tres
o mas.Teniento listo esto, vamos a ir a la opcion SKETCHING, un
listado de opciones como se observa:
Draw: herramientas para dibujar, algo muy parecido a las
opciones que tiene AutoCAD o el mismo paint.Modify: otras
herramientas parecidad a las de AutoCAD, achurar un rectngulo,
pegar, mover, copiar, etc.Dimensions: herramientas para darle
dimensiones de longitud a una lnea, radio de un circulo,
etc..Constraints: herramientas de condiciones de perpendicularidad
con respecto a un circulo, y simetra, Estas son herramientas muy
similares a las que tiene AutoCAD.Para poder dibujar tendremos que
estar en la Opcin de Draw,y con ello generar nuestro dibujo en el
plano, un ejemplo de esto ser un rectngulo.
Si observamos detenidamente, encontraremos dos letras, P y C,
donde P se refiere a el punto inicial o final de una lnea o el
centro del plano, y C nos habla de estar encima o sobre un eje o
una lnea, esto es importante, ya que al dibujar encontraremos, que
deseamos unir una lnea con otra, con respecto a sus puntos finales,
pero lo colocamos cuando observamos la letra C, esto generara, que
tengamos que repetir nuestro dibujo, ya que a la hora de generar la
superficie de control no la definir por este inconveniente.Teniendo
este rectngulo podemos colocar una serie de dimensiones para que
sea las mismas a las de nuestro plano, observaremos la opcin
DIMENSIONS.
Ahora podemos tomar una seccin de nuestra figura (una lnea) y
desplazarla hacia un lado con el fin de darle la dimensin que
necesitamos. Si realizamos esto observaremos que aparecer una V o
un H dependiendo de la ubicacin, V para lneas verticales y H para
las lneas horizontales.
Y nos aparecer unas opciones en la parte izquierda de la
pantalla en este nos aparecer unas serie de listas donde solamente
utilizaremos una., la cual se sealara en la siguiente figura.
En este lugar colocaremos las dimensiones que necesitamos. Este
automticamente cambiara las dimensiones de nuestra figura.Luego de
realizar esto definiremos nuestra superficie de de control la cual
trabajaremos.Para esto tendremos que realizar lo siguiente, si
observamos nuestra figura solo observaremos las lneas y el fondo
azul para definir nuestro volumen de control haremos lo siguiente,
iremos a modeling, luego seleccionaremos el sketch que hicimos y
nos dirigiremos a concept, y le daremos la opcin de Surface From
Sketches.
le daremos click derecho a nuestro sketch1 en el cual trabajamos
y le daremos la opcin Generate.
Automticamente nos generara una superficie gris en la figura que
tenamos. Y de esta forma quedara nuestro dibujo listo para realizar
el enmallado, si seleccionamos el dibujo quedara de este color
verde como se observa.
En este momento finalizaremos nuestro trabajo en nuestro DESING
MODELER(nuestro programa para poder realizar nuestra geometra) para
luego ir a nuestro enmallado MESH.
ENMALLADO:Teniendo ya nuestra superficie creada, minimizaremos o
cerraremos nuestra geometra y nos dirigiremos a la opcin de
enmallado MESH. Automticamente nos aparecer nuestro anterior dibujo
en la pantalla.
Seleccionaremos el mismo plano en el que estbamos trabajando
como lo realizamos en la geometra recordemos que para identificar
que estamos en el programa de enmallado nos aparecer en la parte
superior izquierda este smbolo.
Primer paso para realizar el enmallado ser seleccionar el
siguiente botn, el cual lo utilizaremos para definir las
condiciones de contorno del modelo como lo son (entradas, muros, y
salidas de nuestro proyecto), esto nos permitir luego decir por qu
parte de nuestro dibujo entrara nuestro fluido y por cual saldr, y
que partes de nuestro dibujo se comportara como paredes o muro.
Nos ubicaremos en el contorno de nuestra figura y definiremos lo
anteriormente mencionado. La seleccionaremos parte por parte,
colocando un nombre caracterstico a cada seccin. Recuerde que
cuando le damos click izquierdo esta lnea se colocara de color
verde. Luego le daremos click derecho encima de la lnea y
seleccionaremos Create Named Seccion
Aparecera un icono en el cual le colocaremos el nombre
(recuerden colocar nombres que les sea fcil de relacionar.)
Esto lo haremos con cada seccin, siguiendo el mismo paso para
todas.Encontraremos que estas secciones nos aparecern en la parte
Izquierda de la pantalla, asi como se muestra en la figura.
Teniendo esto definido, lo siguiente ser el enmallado que
necesitaremos, por defecto el programa nos genera uno, el cual se
realiza de la siguiente manera.Iremos a el icono donde dice MESH,
le daremos click izquierdo y le damos la opcin generate mesh, este
nos generara el enmallado por defecto.
Obteniendo la siguiente malla por defecto:
Para colocar un mtodo de enmallado, haremos lo siguiente, iremos
a el botn Mesh Control en el que seleccionaremos method,EN ALGUNA
PARTE HACER UNA INTRODUCCION EN LA QUE S MENCIONE QUE LA MALLA SE
DEBE MEJORAR, Y QUE PARA ESO SE EMPLEAN DIFERENTES MTODOS U
OPCIONES DE ENMALLADO
En el cual nos aparecer una serie de opciones que veremos a
continuacin
En la opcin de geometry,, seleccionaremos nuestro dibujo y le
daremos APPLY,AntesHACERLO MAS CLARO
Despus de darle APPLY
luego en la opcin method, que esta en la opcin de Definition
seleccionaremos el tipo de enmallado que deseamos, el cual puede
ser por tringulos, tetraedros, cuadrilteros o mixto.
Y luego le raemos click en Update, en el cual nos generara el
enmallado, en la opcin de Qadrilateral Dominant, nos aparecer la
misma opcin por defecto, en este caso haremos la opcin de tringulos
TRIANGLES
Para ver la malla le daremos click de nuevo en MESH. Si
observamos la opcin mesh, identificaremos un check de color verde
el cual nos indicara que el enmallado se realizo con xito.Para ello
le daremos click en mes para poder observar la malla realizada.
NOTA: las ecuaciones que realiza el programa, se realizan en los
nodos de las figuras, al tener figuras como tringulos tendr el
enmallado mayor nmero de nodos que si utilizamos un enmallado con
cuadrados.
Para realizar un refinamiento global (en toda nuestra figura),
tendremos que ir a la opcin SIZING y seleccionaremos fine en la
seccin Relevance Center como se muestra en la figura, y luego le
daremos de nuevo Update y nos generara un enmallado ms fino o con
mayor nmero de tringulos.Si observamos en la parte inferior
izquierda de la pantalla, observamos una lista, con los detalles de
la malla, cada uno de estos detalles
DEFAULTS: en esta se seleccionara el tipo de fsica que trabajar
el programa, en nuestro caso es CFD, luego se define el tipo de
ecuaciones con las cuales se trabajaran, en este caso sera las de
fluent, para solucionar fluidos.Y luego la cantidad de ecuaciones a
realizar para encontrar la solucin, en este caso las dejaremos por
defecto.
SIZING:
Teniendo en nuestro plano el siguiente enmallado. Utilizaremos
SIZING para tener un enmallado ms fino o ms grueso. Esta condicin
nos permitir obtener mejores resultados en nuestro modelo, ya que
al tener una malla ms fina, se realizara ms clculos que en una de
malla gruesa. STATISTICEn esta tabla encontraremos la cantidad de
tringulos, la cantidad de nodos que tiene nuestro modelo para
resolver con mtodos lineales, esto es importante ya que en esta
opcin podemos saber si es necesario mejora o disminuir el nmero de
nudos. Para reducir costos computacionales que no sern necesarios.
Puesto que si trabajamos con un modelo muy complejo es posible que
necesitemos un equipo de mejor calidad y con un procesador mayor,
para que sea posible solucionar la gran cantidad de ecuaciones que
trabaja el computador en nuestro modelo.
REFINAMIENTO LOCALUn refinamiento es una zona en la cual
determinamos que es necesaria tener mayor nmero de nudos
(TRIANGULOS) para obtendremos mejor calidad de datos, en otras
palabras es la zona con mayor tringulos para q nuestro modelo a la
hora del proceso no nos arroje resultados errneos.Para realizar un
refinamiento debimos posteriormente realizar un enmallado en
nuestro dibujo, luego iremos de nuevo a MESH CONTROL>REFINEMENT
como lo observamos en la siguiente figura.
Debemos saber que podemos hacer un refinamiento en todo el
modelo, por lneas de contorno, por puntos, superficies. Nosotros en
nuestro ejemplo la haremos en una determinada lnea y a su vez en un
punto, para ello debemos seleccionar un botn el cual est en la
parte superior de la pantalla, all definiremos que deseamos tomar,
ya sea un punto una lnea o que sea libre. Observemos.
En este caso vamos a elegir una lnea, le damos click en ella e
iremos a refinement seleccionaremos una lnea, en este caso
observaremos que la lnea que elijamos se colocara de color verde,
luego iremos en apply
En este caso nos generara un refinamiento cerca y sobre la lnea
que elegimos, para verla iremos de nuevo a la opcin UPDATE y en
MESH y de esta manera veremos el refinamiento.
Ahora haremos un enmallado en un punto definidoRealizaremos los
mismos pasos anteriores para realizar un refinado:
En este caso vamos a elegir una lnea, le damos click en ella e
iremos a refinement seleccionaremos la opcin de punto en los
botones que se encuentran encerrados, en este caso observaremos que
la lnea que elijamos se colocara de color verde, luego iremos en
apply
En este caso nos generara un refinamiento sobre el punto que
elegimos, para verla iremos de nuevo a la opcin UPDATE y en MESH y
de esta manera veremos el refinamiento.
Iremos a UPDATE y de nuevo en mesh para observar nuestro
refinamiento, si desean que el refinamiento sea mayor. Iremos a
refiment y luego aumentaremos el numero de 1 a 3, como se observa
en la imagen. De nuevo le daremos UPDATE y observaremos que el
enmallado es mallor en el punto, este procedimiento se puede
realizar con el de una lina.
Recordemos que estas formas de enmallar nuestro proyecto no son
las nicas que se pueden realizar, ustedes pueden explorar otros
tipos de enmallado dependiendo del problema que deseen abordar.Para
nuestro ejemplo realizamos los dos refinamientos, con respecto a un
punto y a una lnea en los lugares que deseamos tener mayor calidad
en los datos obtendremos el siguiente enmallado.NOTA: para mayor
facilidad se puede hacer varios refinamientos en uno solo, esta
opcin es eligiendo las lneas que desean refinar, utilizando el
comando CONTROL mientras seleccionamos las lneas en este caso, y
luego haremos el mismo procedimiento que se realiz anteriormente
con cada seccin que deseamos refinar.
En este proceso finalizaremos nuestro enmallado MESH para pasar
a SETUP.SETUP
Iremos a la pagina principal de workbench y seleccionaremos
SETUP este nos abrir un nuevo programa.
En este caso seleccionaremos DOUBLE PRECISION, esto con el fin
de obtener unos datos de mejor calidad, ya que este caso se
realizara dos veces el calculo por cada ecuacin resuelta, y luego
daremos OK y automticamente nos abrir y observaremos lo siguiente
en nuestra pantalla.
En este podemos observar nuestra geometia con nuestro
enmallado.En la parte izquierda de nuestra pantalla observaremos el
siguiente men.
GENERALEn este caso nuestra presin que trabajara el programa ser
la que definiremos, y la velocidad ser absoluta, como estamos
trabajando en un esquema 2D, lo dejaremos en planar.Para trabajar
modelos estacionarios o transitorios. Lo seleccionaremos en la
opcin de TIME. En este ejemlo se manejara estacionario
STEADY.MODELS
En este le daremos click en VISCOSIDAD y seleccionaremos
LAMINAR.
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