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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2
Dinámica computacional de fluidos (CFD)
Aplicaciones a la resolución de diversos problemas de diseño de infraestructuras y edificios
Ignacio del Rey Llorente
Dr. Ingeniero Industrial.
Departamento de Ingeniería Industrial y de Telecomunicaciones.
Técnica y Proyectos, S. A. (TYPSA).
Álvaro Serrano Corral
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
Universidad Politécnica de Madrid. MC2 Estudio de Ingeniería–Grupo TYPSA.
Ángel Vidal Vacas
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
MC2 Estudio de Ingeniería–Grupo TYPSA.
Juan Ojeda Couchoud
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
Departamento de Ingeniería del Agua.
Técnica y Proyectos, S. A. (TYPSA)
Javier Abanades Tercero
Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.
División de Energía Eólica.
Técnica y Proyectos, S. A. (TYPSA)
Bajo las siglas CFD (Computational Fluid Dynamics) se agrupan las distintas técnicas para predecir los fenómenos asociados al movimiento del flujo, transferencia de calor y masa a reacciones químicas mediante la resolución, por métodos numéricos, de las ecuaciones matemáticas que los gobiernan. Desde finales del siglo XX, la mejora de las capacidades de computación ha supuesto un incremento exponencial del uso de estas técnicas ofreciendo nuevas oportunidades de aplicación en el campo de los proyectos de ingeniería. Desarrollar nuevos servicios digitales de alto valor añadido, basados en técnicas CFD, para diseñar infraestructuras y edificios mejores y más resilientes requiere recorrer un proceso de innovación previo. El Grupo TYPSA desarrolló estas capacidades a través de varios proyectos de I+D+i autofinanciados como parte de su programa de Excelencia en Ingeniería entre 2018 y 2022. El resultado ha sido la aplicación de herramientas CFD en la resolución de una gama sorprendentemente amplia de problemas de ingeniería, tal y como se muestra en los casos descritos en el artículo.
Palabras clave: Movimiento del flujo, servicios digitales, innovación, transferencia de calor, reacciones químicas.
Computational Fluid Dynamics (CFD) encompasses a set of techniques designed to predict the behaviour of fluid flows, heat and mass transfer or chemical reactions by using numerical methods to solve the mathematical equations governing the phenomena. Since the end of the 20th century, improvements in computational capabilities have led to an exponential increase in the use of these techniques, offering new opportunities in the field of consulting engineering. Delivering new high added value digital services, based on CFD techniques, to design better and more resilient infrastructure and buildings requires a prior innovation process. TYPSA Group developed these capabilities through several self-funded innovation projects as part of its Engineering Excellence programme between 2018 and 2022. As a result, the Group has been successful in applying CFD tools to solve a surprisingly wide range of engineering problems as shown by the case studies described in the article.
Keywords: Flow motion, digital services, innovation, heat transfer, chemical reactions.
Hasta hace no muchas décadas, los alcances de los proyectos de ingeniería se limitaban al cumplimiento de requisitos definidos en normativas o reglas de buenas prácticas, las cuales se apoyaban en experiencias previas o estudios experimentales. Los anejos de cálculosolían ceñirse a la resolución analítica de formulaciones de complejidad limitada y a la utilización de métodos de ensayo experimentales cuando se trataba de problemas de cierta entidad.
La complejidad de las ecuaciones de la dinámica de fluidos la convertían en un área de investigación abordable por muy pocos equipos. Aunque ya en los siglos XVIII y XIX se realizaron importantes avances para describir matemáticamente el movimiento de los fluidos, no fue hasta finales del siglo XX cuando se establecieron las bases de los modelos numéricos que desembocaron en las herramientas computacionales habitualmente conocidas como CFD (del inglés Computational Fluid Dynamics).
Bajo estas siglas suelen agruparse distintas técnicas para predecir fenómenos asociados al movimiento del flujo, la transferencia de calor y masa o a las reacciones químicas mediante la resolución, por métodos numéricos, de las ecuaciones matemáticas que los gobiernan. Desde finales del siglo XX, la mejora de las capacidades de computación ha supuesto un incremento exponencial del uso de programas comerciales y un cambio radical en el campo de los proyectos de ingeniería. Este cambio no solo ha permitido abordar proyectos más complejos y singulares en los que las reglas generales no eran aplicables, sino que ha conllevado una mejor comprensión de los márgenes de seguridad asociados al diseño de las infraestructuras. No hay que olvidar que la aplicación prescriptiva de las normativas suele implicar la adopción de los factores de seguridad que les son inherentes. El uso de estas herramientas permite reducir la incertidumbre en la aplicación de reglas generales de diseño, lo que facilita llevar al límite los objetivos de optimización en los proyectos en esa implacable búsqueda de la eficiencia propia de la ingeniería, reduciendo en el fondo los márgenes de seguridad previos, necesarios debido a una mayor incertidumbre.
Poner en el mercado estos nuevos servicios digitales de alto valor añadido requiere recorrer un proceso de innovación previo. Es necesario adquirir conocimientos y captar y mantener formados a expertos en cada campo. Hay que investigar el estado del arte de los programas a emplear y desarrollar bancos de prueba para definir, entre otros aspectos, los límites de uso. Si bien los programas comerciales incorporan cada vez interfaces gráficas más accesibles y herramientas para automatizar tareas y optimizar procesos, también ofrecen con frecuencia funcionalidades muy especializadas orientadas a problemas concretos. Esta evolución obliga a disponer de especialistas no solo en herramientas CFD de propósito general sino en aquellas específicas, muy sofisticadas, cuya aplicación a un problema determinado puede ser más eficiente. Por último, es necesario establecer los entornos comunes de trabajo y de computación y los procedimientos de producción, validación y verificación apropiados.
El Grupo TYPSA desarrolló estas capacidades a través de varios proyectos de I+D+i autofinanciados como parte de su programa de Excelencia en Ingeniería entre 2018 y 2022. El resultado ha sido la aplicación de las herramientas CFD a una gran gama de problemas de ingeniería.
Aplicación a la ingeniería del fuego y al diseño de sistemas de ventilación de grandes infraestructuras subterráneas
En este ámbito, el uso de las herramientas CFD ha estado habitualmente ligado al mantenimiento de condiciones ambientales adecuadas para los usuarios y el personal de explotación, aplicándose al diseño de sistemas de ventilación para el mantenimiento de la calidad del aire y las condiciones térmicas.
Comportamiento de CFD en caso de incendio
Adicionalmente, la ventilación es un elemento clave para alcanzar los objetivos de seguridad en caso de incendio, tan importantes en entornos subterráneos. Aquí las herramientas de simulación computacional de tipo CFD resultan imprescindibles en proyectos de cierta entidad.
En el ámbito de los túneles, el diseño y dimensionamiento de los sistemas de ventilación se ha venido realizando en las últimas décadas mediante herramientas de simulación de tipo unidimensional que, si bien resuelven las ecuaciones de conservación de masa y contaminantes, cantidad de movimiento y energía, empleando métodos numéricos, lo hacen aplicando una serie de simplificaciones (CETU, 2012b) que las diferencian de las herramientas tridimensionales conocidas como CFD. Actualmente, el uso más habitual de herramientas CFD es el análisis de las condiciones ambientales en caso de incendio (véase infografía de arriba) ya que permiten estudiar la estratificación y el movimiento de los humos caracterizando sus condiciones de temperatura u opacidad.
Hay que señalar que la espectacular mejora de la capacidad de las herramientas CFD tridimensionales en los últimos años está haciendo que su uso se haya generalizado, en ocasiones de forma poco adecuada y sin tener en cuenta sus ventajas e inconvenientes (CETU, 2012a). Los resultados de los programas CFD también pueden ser empleados en metodologías de análisis de la seguridad frente a incendio que, dependiendo del ámbito de aplicación, se asocian a distintos términos, como por ejemplo las metodologías de análisis de riesgo de incendio en túneles de carretera, los análisis ASET-RSET para estudios de evacuación, o los análisis prestacionales, sobre los que el lector puede encontrar más información en las referencias bibliográficas.
A modo de ejemplo, en la figura siguiente se muestra un caso de análisis combinado de evacuación y humos para un túnel de carretera en el que, en un gráfico de tipo bidimensional (lugar del túnel en el eje de abscisas y tiempo transcurrido en el de ordenadas), se muestran las condiciones de visibilidad de los usuarios (en rojo se muestra la zona del túnel en la que se tienen condiciones de visibilidad muy reducida). Las trayectorias de los usuarios se representan con líneas que se prolongan hasta alcanzar una salida de emergencia o hasta llegar a niveles de contaminantes no aceptables (véase infografía de arriba).
Las herramientas de simulación computacional de tipo CFD resultan imprescindibles en proyectos de cierta entidad
En el caso de túneles, el uso de metodologías prestacionales que requieren este tipo de análisis es muy habitual tanto en España —por ejemplo, la metodología MARTE (Ministerio de Fomento, 2012)— como en muchos otros países, siendo las principales normativas de referencia la NFPA 130 para estudios ferroviarios y la NFPA 502 para carreteras.
Este tipo de análisis resultan especialmente útiles en infraestructuras como las estaciones subterráneas donde, por su complejidad, el diseño de sistemas de gestión de humos requiere de herramientas sofisticadas, ya que la interacción entre los túneles y las zonas de andén afecta significativamente a los resultados.
Adicionalmente, cada vez más se emplea este tipo de herramientas CFD para otros tipos de análisis como, por ejemplo, el comportamiento de los circuitos de ventilación, ya que, en el entorno subterráneo, el espacio necesario para disponer las estaciones de ventilación — que albergan grandes equipos— puede tener un impacto muy importante en la obra civil.
En cualquier caso, es importante recordar que los CFD no dejan de ser herramientas para apoyar los análisis necesarios para verificar las soluciones de diseño y que, en muchas ocasiones, su capacidad tan solo puede ser aprovechada con un conocimiento exhaustivo del problema a estudiar. En ese sentido siguen siendo válidas las reflexiones de Kevin B. McGrattan (2005) respecto del futuro del uso de estas herramientas, cuya lectura se recomienda.
Estudios de viento en edificios y análisis del comportamiento aeroelástico de puentes
En el ámbito de la ingeniería civil, el flujo de viento en torno a las obras se caracteriza por ser altamente turbulento y complejo, siendo habituales los fenómenos de desprendimiento de la capa límite y la aparición de vórtices dependientes del tiempo, de forma que el enfoque tradicional para su estudio y para el desarrollo de normas de cálculo consistía en la realización de ensayos en túneles aerodinámicos en los que, en base a escalas de semejanza, se reproducía el fenómeno en tamaño reducido.
A raíz de la creciente complejidad de las obras diseñadas en los últimos años, el uso de técnicas CFD y, en particular, de la ingeniería de viento computacional (CWE, por sus siglas en inglés), ha ido adquiriendo importancia como complemento y, en algunos casos, como alternativa a los ensayos en túneles.
La simulación computacional de los efectos del viento implica la transformación del sistema físico en otro virtual, lo que puede aportar ventajas con respecto a la aproximación experimental, muy en particular en fases tempranas de los proyectos, en las que las soluciones apenas están esbozadas y se trata de analizar alternativas con el objeto de guiar el diseño hacia la solución más favorable desde un punto de vista global.
Los análisis CFD convencionales son aquellos en los que la respuesta de la estructura es esencialmente estática, siendo los efectos inerciales o de amortiguamiento despreciables. Sin embargo, la acción del viento es eminentemente dinámica y debe de ser tratada como tal; esto quiere decir que sobre la estructura actuarán presiones de magnitud variable con el tiempo, de modo que puede hablarse de un valor medio y de un valor pico.
El principal campo de aplicación de este tipo de análisis es el estudio del flujo de viento alrededor de estructuras rígidas, frecuentemente edificios (véase imagen de arriba). Los principales resultados que se pueden obtener son el análisis estático de cargas globales en el edificio; el análisis estático de presiones sobre fachadas o cubiertas; la calibración de rugosidad de fachadas; el análisis dinámico del efecto del viento sobre el edificio (confort de ocupación); y el análisis de confort peatonal en el entorno urbano (véase infografía de la izquierda).
Este tipo de análisis puede extenderse al estudio de tableros y pilas de puentes cuando estos son suficientemente rígidos y no son susceptibles frente los efectos dinámicos del viento, pudiendo obtenerse fuerzas estáticas globales en tablero o pilas, coeficientes eólicos, efecto de las barreras o parapetos en tableros o sobre el tráfico, estabilidad del tráfico en tableros a gran altura o en zonas muy expuestas al viento.
Cuando no se puede considerar que las estructuras son estáticas y fijas con respecto al viento, la simulación debe tener en cuenta la interacción fluido-estructura, en la cual el comportamiento del flujo de viento y la respuesta de la estructura están acoplados, influyendo el uno sobre la otra y viceversa.
Efecto del viento en el entorno urbano de la plaza de España (Madrid)
Este tipo de simulaciones, transitorias por definición, permiten evaluar los efectos dinámicos aeroelásticos (desprendimiento de vórtices, flameo, bataneo, galope) en estructuras ligeras o esbeltas (puentes colgantes y atirantados, torres, mástiles, seguidores solares) y, muy en particular, en aquellas cuyas formas se separan de las canónicas o las recogidas en las normativas (véanse las dos primeras imágenes de la derecha). Estas simulaciones requieren un modelo analítico para la estructura y otro para el campo de flujo de viento, y su proceso de resolución se basa en la computación, en cada paso de tiempo, de ambos modelos.
Es importante resaltar que las simulaciones CFD ofrecen resultados que no son sino aproximaciones de la solución real y que las técnicas elegidas para la resolución numérica del problema serán determinantes a la hora de establecer la calidad y precisión de los resultados, pudiendo estos llegar a ser muy pobres si las condiciones de discretización y cálculo no son adecuadas.
Por ello resulta imprescindible acompañar la simulación de un análisis de fiabilidad, aceptándose generalmente el control en base a procesos de validación (comprobación de que las ecuaciones empleadas son adecuadas) y verificación (comprobación de que las ecuaciones aplicadas se han resuelto numéricamente de forma correcta).
Las herramientas de simulación computacional de tipo CFD resultan imprescindibles en proyectos de cierta entidad
Aplicaciones en el ámbito de la ingeniería del agua
El Grupo TYPSA ha aplicado herramientas CFD en tres ámbitos concretos del diseño de obras hidráulicas: optimización de geometrías complejas, en las que la componente turbulenta o los fenómenos locales son preponderantes; flujos hipercríticos, con importancia del análisis de la interfaz aire-agua; y fenómenos de difusión o mezcla en problemas de calidad de agua o de transporte de sedimentos. A continuación, se presentan tres ejemplos.
El primero corresponde a la optimización de la geometría de un gran depósito de agua del sistema de abastecimiento a Riad, en Arabia Saudí. En este caso era necesario conocer en detalle cómo se producía el movimiento del agua dentro del depósito y cuál era la evolución esperable de los parámetros fisicoquímicos en función del tiempo de permanencia, la disposición de los agitadores y la temperatura. El uso de estas herramientas (en la columna de la izquierda, véase la tercera imagen) permitió optimizar el diseño, no solo en cuanto a geometría del circuito hidráulico, sino también en cuanto a forma, ubicación y número de agitadores y resto de elementos del depósito, asegurando el cumplimiento de los requerimientos de calidad del agua en un entorno exigente por sus altas temperaturas.
El segundo caso corresponde al estudio de la geometría del aliviadero de la presa de Chironta en Chile. Se trataba de verificar el diseño de un canal de descarga terminado en salto de esquí con la peculiaridad de la existencia de un muro de contención de tierras en la margen derecha que confinaba lateralmente el lanzamiento. Adicionalmente, se quería optimizar la excavación. El análisis realizado mediante CFD (véase imagen de la izquierda) permitió identificar la existencia de un problema potencial en la zona en la que el lanzamiento se hallaba confinado lateralmente, por cuanto el arrastre de aire provocado por los filetes inferiores de agua creaba zonas de vacío que evitaban el despegue efectivo de la lámina y, por tanto, deprimían rápidamente el flujo hacia el pie del salto de esquí, con el consiguiente riesgo de erosión y disipación no efectiva de la energía residual al final del canal de descarga. Mediante el modelo CFD se pudo mejorar el diseño, facilitando la aireación en la zona problemática y garantizando el lanzamiento efectivo de todo el caudal. Este ajuste permitió reducir tiempos y costes para una posterior comprobación mediante modelo físico reducido.
El último caso corresponde a la optimización de la geometría de la cántara de un gran bombeo en la entrada de una desaladora. Es ya una práctica habitual el usar herramientas CFD para analizar el correcto reparto de caudales en cántaras de aspiración de grandes bombeos, un aspecto fundamental para garantizar el óptimo rendimiento de las bombas. Nuevamente, su uso permite una mejor definición de las geometrías respecto de las técnicas habituales de cálculo, basadas en fórmulas paramétricas obtenidas a partir de ensayos en laboratorio.
Simulación del oleaje para la captura de la energía undimotriz
El aprovechamiento de energías renovables marinas enfrenta una serie de desafíos sobre la interacción flujo-estructura en cuya resolución las herramientas CFD juegan un papel fundamental. Un ejemplo es el análisis de los fenómenos que se producen cuando el oleaje impacta con los dispositivos de generación (véase infografía de abajo).
En este apartado se presenta la modelización de un proyecto piloto en el Puerto de Valencia que tiene como objetivo el aprovechamiento de la energía del oleaje en el marco del proyecto europeo de I+D+i MAtchUP (Consorcio MAtchUP, 2023). El concepto pertenece a la empresa Rotary Waves y el Grupo TYPSA se ha encargado del diseño. El proyecto consiste en la instalación de un flotador de 5 m de largo y 2 m de ancho en el dique exterior, aprovechándose así la infraestructura existente y, por tanto, reduciéndose la inversión necesaria. El dispositivo cuenta con pistones que presurizan un fluido permitiendo transformar el ascenso y descenso del flotador en energía.
Al instalarse sobre un dique vertical, el flotador aprovecha la reflexión del oleaje sobre el paramento vertical, maximizando el desplazamiento vertical y, por tanto, aumentando la energía producida. Sin embargo, esta disposición aumenta la complejidad de los cálculos, ya que la determinación de las acciones sobre el flotador y el diseño de los anclajes se ve afectada por numerosos fenómenos no lineales.
Para el diseño del prototipo se emplearon diferentes técnicas. Por un lado, se realizó una campaña de ensayos en el canal del Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad de Cantabria que proporcionó resultados del comportamiento a una escala de 1:6. Estos datos fueron comparados con los resultados obtenidos mediante modelos numéricos. Para ello se emplearon modelos basados en la teoría potencial (lineal) que permiten la simulación de largas series temporales, pero que no tienen en cuenta los efectos no lineales. Por otro lado, se emplearon modelos CFD (véase infografía de la página siguiente) que permitieron estudiar el comportamiento del dispositivo ante eventos de estado límite último. Los largos tiempos de computación requeridos hicieron que la aplicación de estos modelos se centrase en aquellos casos que pudieran ser más determinantes para el diseño.
Todos estos métodos son válidos y se utilizan para la evaluación de la interacción flujo-estructura, pero presentan ciertas limitaciones. Los ensayos de laboratorio pueden alcanzar resultados muy precisos, pero son costosos, tanto en tiempo como en la inversión para la construcción de los modelos. Además, ha de tenerse en cuenta que la viscosidad del fluido, difícilmente escalable en laboratorio, es una fuente de incertidumbre. Por su parte, la modelización lineal permite tener resultados de forma ágil, pero la precisión depende del grado en que los fenómenos no lineales gobiernen el problema. Las herramientas CFD permiten conseguir resultados muy próximos a la realidad mediante una correcta discretización y modelado del problema (véase infografía de abajo), pero exigen un conocimiento profundo del problema y una gran atención a representarlo de forma apropiada, además de largos tiempos de computación.
Las diferentes herramientas proporcionaron valores satisfactorios y permitieron el correcto diseño de los sistemas de anclaje al dique en el Puerto de Valencia. Se observó que cada una de ellas presentaba ventajas e inconvenientes dependiendo de la complejidad de la interacción flujo-estructura en los escenarios en estudio (operativo, oleaje extremo, reposo). En general, para escenarios de operación ordinaria, la teoría potencial mostró ser suficiente para la modelización; sin embargo, en aquellos escenarios de comportamiento extremo, los resultados de las herramientas CFD se aproximaron en mayor medida a los obtenidos en laboratorio.
Proyecto europeo de I+D+i MAtchUP (Puerto de Valencia)
Conclusiones
Las metodologías CFD permiten abordar en la actualidad una amplia gama de problemas ingenieriles con total garantía de obtener resultados de calidad y con suficiente precisión con relación a la realización de modelos físicos.
Adicionalmente, presentan como principales ventajas la reducción de plazo y coste frente al empleo de modelos físicos, la flexibilidad a la hora de estudiar o ensayar diferentes prototipos o geometrías, y la escalabilidad y complementariedad con el enfoque experimental en las diferentes fases del proyecto. Así, por ejemplo, permiten tener en poco tiempo y a un coste ajustado, diseños suficientemente precisos en las fases iniciales de un proyecto que pueden optimizarse mediante estudios computacionales más complejos, o contrastarse mediante ensayos en fases más avanzadas.
Referencias
1
Bakker, A. (2008). Lectures on Applied Computational Fluid Dynamics. Obtenido de https://www.bakker.org/cfm/publications/ Lectures-Applied-CFD.pdf
2
Carlsson, J. (1999). Fire Modelling Using CFD-An introduction for Fire Safety Engineer. Report 5025. Lund, Suecia: Department of Fire Safety Engineering. Lund Institute of Technology.
3
CETU (2012a). CETU Guidelines: Air flow modelling for tunnels. Volume 1: Tools and choice criteria. Centre d’Études des Tunnels, Bron, Francia.
4
CETU (2012b). CETU Guidelines: la modélisation aéraulique pour les tunnels. Fascicule 2: la modélisation. Centre d’Études des Tunnels, Bron, Francia.
5
Consorcio MAtchUP (2023). MAtchUP Project. An innovative palette of solutions for your city. Obtenido de https://www.matchup-project.eu/project/
6
Launder, B. E., & Spalding, D. B. (marzo de 1974). The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3(2), 269-289.
7
McGrattan, K. B. (2005). Fire Modeling: Where Are We? Where Are We Going? 8th International Symposium on Fire Safety Science. 18-23 de septiembre. Pekín, China: International Association for Fire Safety Science (IAFSS).
8
Ministerio de Fomento (2012). Metodología de Análisis de Riesgo en Túneles de la Red de Carreteras del Estado (MARTE). Madrid, España: Aprobada por Resolución de la Secretaría de Estado de Infraestructuras, Transporte y Vivienda de 30 de mayo de 2012.