SEMINARIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA EN...

SEMINARIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA EN SISTEMAS DENUMÉRICA EN SISTEMAS DE

PROPULSIÓNJ M l Ti ó P lidJuan Manuel Tizón Pulido

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http://webserver.dmt.upm.es/zope/DMT/Members/jmtizon/libre-eleccion-1

Motores Cohete: Capítulo 2

P ibl iPosibles escenarios

DEFINICIÓN UTILIDADDEFINICIÓN y UTILIDAD• Computational Fluid Dynamics (CFD) engloba las técnicas que se encargan de

predecir el comportamiento de los fluidos (cinemática, transmisión de calor, reacciones químicas, etc.) integrando numéricamente las ecuaciones que gobiernan estos procesos.E h i t d dí á útil ( á ti t i i dibl ) l• Es una herramienta cada día más útil (prácticamente imprescindible) en las tareas de análisis y diseño de multitud de sistemas en Ingeniería y en particular para la Ingeniería Aeronáutica.

• En los Sistemas de Propulsión es particularmente util• En los Sistemas de Propulsión es particularmente util.• Complementaria a la experimentación, profundiza mas allá de las técnicas

analíticas, ahorrando tiempo y dinero en los ciclos de diseño de los productos.

Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión

EXPERIMENTACIÓN SIMULACIÓNEXPERIMENTACIÓN vs. SIMULACIÓN

CFD ofrece una ventaja inestimable en problemas en los que es difícil o imposible el estudio experimental utilizando técnicas tradicionales

EXPERIMENTACIONDescripción cuantitativa del flujo

SIMULACIÓNPredicción cuantitativa del flujo

• Una cantidad en cada instante• Para un limitado número de puntos de medida

en cada instante

• Todas las cantidades en todos los instantes• Con alta resolución espacial y temporal

• En un caso de operación determinado• Para un diseño en particular

Fuentes de error: Incertidumbres

• En cualquier caso de operación• Para un cualquier diseño

Fuentes de error: ModeladoFuentes de error: Incertidumbres experimentales e interferencia de las sondas

Fuentes de error: Modelado, discretizaciÓn, convergencia, implementación.

OBJETIVOS DEL CURSOOBJETIVOS DEL CURSO

• Conocer el alcance (estado del arte) del cálculo numérico en las tareas de análisis y diseño de sistemas de propulsión.análisis y diseño de sistemas de propulsión.

• Aprender las estrategias habituales de planificación y elaboración de modelos numéricos de casos reales.

• Utilizar correctamente un programa comercial de Mecánica de Fluidos Computacional (Fluent), así como, los de pre‐ y post‐ proceso.

• Conocer y aplicar los métodos habituales de evaluación y validación de o oce y ap ca os é odos ab ua es de e a uac ó y a dac ó deresultados.

• Entender y familiarizarse con las estructuras fluidas (capas límites, ondas de choque torbellinos ) que aparecen en los componentes de los sistemas dechoque, torbellinos, …) que aparecen en los componentes de los sistemas de propulsión.


CONTENIDOSCONTENIDOS

Parte I: Conceptos básicos (2h)I.1 IntroducciónI 2 Ecuaciones de conservación

Parte IV: Tutoriales (16h)IV.1 Generación de mallasIV 2 Flujos internosI.2 Ecuaciones de conservación.

I.3 Condiciones de contorno

ParteII: Algoritmos numéricos (3h)II 1 Técnicas de discretización

IV.2 Flujos internosIV.3 Flujos internos/externos

Parte V: Temas especiales o avanzados (4h)V1 Introducción al tratamiento de la turbulenciaII.1 Técnicas de discretización

II.2 Tipos y generación de mallasII.3 Discretización temporal y espacialII.4 Aceleración de convergencia

V.1 Introducción al tratamiento de la turbulenciaV.2 Combustión: Problemática básicaV.3 Problemas con flujos heterogéneos

Parte VI: Proyecto FinalParte III: Aspectos prácticos (5h)

III.1 Técnicas de modelizaciónIII.2 Inicialización y desarrollo del cálculoIII 3 C it i d i

Parte VI: Proyecto Final

III.3 Criterios de convergenciaIII.4 Visualización y análisis de resultadosIII.5 Validación y calidad de los resultadosIII.6 Mejora de las soluciones. Adaptación


EVALUACIÓNEVALUACIÓN

• ASISTENCIA

• EJERCICIOS– Entrega de los ejercicios de clase y sus extensiones en los ficheros de trabajo

( )propios del solver (no informes).

• PROYECTO FINAL


PROYECTO FINALPROYECTO FINALF l ió d id i bá i•Formulación de consideraciones básicas

•Flujo compresible/incompresible (número de Mach)•Flujo viscoso/no viscoso (número de Reynolds)Ot•Otros

•Definición del dominio físico y computacional•Definición geométrica•Generación de la malla•Generación de la malla•Especificación de condiciones de contorno

•Selección de la estrategia de solución•Selección del esquema de discretización espacial/temporal•Selección del esquema de discretización espacial/temporal•Selección de monitores

•Análisis de resultados•Evaluar el nivel de convergenciaEvaluar el nivel de convergencia•Independencia a la malla de los resultados•Presentación de resultados (pos-proceso)

D ll d l lDesarrollo de las clases

• Presentación teórica– Aspectos formales sobre el modelo físicop

– Conocimientos básicos sobre técnicas numéricas

• Planteamiento de un ejercicio

• Ejecución dirigida

• Resolución de un problema– Terminación del caso propuesto

– Añadir o complicar el modelo

– Generalizaciones …….

• Preparación del Proyecto Final


Bibli fíBibliografíaPublicaciones AGARDPublicaciones AGARD

AR-355 (1998), CFD Validation for Propulsion System Components( ), p y pCP-578 (1995), Progress and Challengers in CFD Methods and AlgorithmsLS-195 (1994), Turbomachinery Design Using CFDAG-325 (1994), Computational aerodynamics based on the Euler equationsCP-510 (1992), CFD Techniques for Propulsion ApplicationsAG 311 (1988) Computational Fluid Dynamics: Algorithms and SupercomputersAG-311 (1988), Computational Fluid Dynamics: Algorithms and SupercomputersLS-86 (1977), Computational fluid dynamicsLS-73 (1975), Comp. methods for inviscid and viscous two-and-three-dimensional flow fields

LIBROSLIBROSChung T J (2002) Computational Fluid Dynamics Ed Cambridge Unv PressChung, T. J. (2002) Computational Fluid Dynamics, Ed. Cambridge Unv. PressWilcox, D. (1993) Turbulence modeling for CFD, Ed. DCW IndustriesHirsch, C. (1988) Numerical Computation of Internal and external Flows , Ed. John Wiley & SonsOran, E. y Boris J. (1987) Numerical simulation of reactive flow , Ed. ElsevierAnderson, D. A., Tannehill J. C. y Pletcher, R. H. (1984) Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer

ARTICULOSARTICULOSJameson, A., (1995) The Present Status,Challengers, and Future Developments in CFD, in AGARD CP-578Thompson, J. F. (1984) Grid Generation Techniques in Computational Fluid Dynamics, AIAA Journal, v. 22, no. 11Cuvelier, A. Segal and A. A. van Steenhoven, Finite Element Methods and Navier-Stokes Equations. Kluwer, 1986.Turek S Efficient Solvers for Incompressible Flow Problems: An Algorithmic and Computational Approach LNCSE 6 Springer 1999Turek, S., Efficient Solvers for Incompressible Flow Problems: An Algorithmic and Computational Approach, LNCSE 6, Springer, 1999.Lohner, R., Applied CFD Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. John Wiley & Sons, 2001.

……..y otros muchos……

http://www cfdreview com/


http://www.cfdreview.com/

LES (2000’s)

RANS (1990’s)

EULER (1980’s)

POTENCIAL NO-LINEAL (1970’s)

POTENCIAL LINEAL (1960’s)


Cál l d t bilid d d l ióCálculo de estabilidad del avión


DESARROLLO DE PROGRAMASDESARROLLO DE PROGRAMAS

C EUSOL2DTRIMPACK– Mallas no‐estructuradas

EUSOL2D– Volúmenes finitos

U i di / Li it– AFM, Steiner, Delaunay

– Adaptación

– Upwinding / Limiters– Transporte de especies


TRIMPACK & EUSOL2DTRIMPACK & EUSOL2D


CFD C i lCFD Comercial (www.cfd‐online.com)

FLUENT (www.fluent.com)

CFX (ANSYS)CFX (ANSYS)(www-waterloo.ansys.com/cfx/products/cfx-5)

NUMECA (www.numeca.de y www.numiberica.com)

START-CD (www.cd-adapco.com)

KIVA y FIRE

FLOW3DFLOW3D (www.solintec.com)

PHOENIX/CHAM (www.cham.co.uk)


P di i t Bá iProcedimiento Básico

• Definición del problema.(pre‐proceso)

– Definición de objetivos.– Identificación de la geometría relevante.– Creación de la malla.

j ió d l “ l ”• Ejecución del “solver”.– Definición de los modelos.– Inicialización de la solución.– Ejecución y monitorización.

• Análisis de los resultados.(post‐proceso)

– Examen crítico de los resultados.Examen crítico de los resultados.– Validación de resultados.– Revisión de todo el proceso.– Elaboración de un informe.


T Pl t C t í tiTecPlot: Características(www.tecplot.com/products/cfd/cfd_features.htm#04)

• Función de calculo

• Análisis de erroresAnálisis de errores

• Líneas de corriente y trazadores

• Detección de estructuras fluidas

• Cálculo de integrales

• Automatización (macros)


ICEM CFD C t í tiICEM CFD: Características(www‐berkeley.ansys.com/overview/index.html)

• Multi‐block structured grids

• Unstructured tetrahedral and triangular surface gridstriangular surface grids

• Unstructured quad grids

• Body‐fitted Cartesian grids

• Refined H grids• Refined H‐grids

• Etc…..


FLUENT E t tFLUENT: Estructura


GAMBIT C t í tiGAMBIT: Características

Sistema integrado:

•Capacidades CAD

•Generación automática de la malla


•Análisis de calidad de la malla

FLUENT C t í tiFLUENT: Características

GENERALES•Método de los Volúmenes Finitos

•Solvers: Basado en presión/densidad (antiguos Segregated / Coupled)p ( g g g p )

•Mallados estructurados / no-estructurados (adapt.)

•Geometrías 2D, 3D, axilsimétrico (+ swirl)

•Simulación estacionaria / transitoria

•Incompresible / Compresible (sub-supersónico)

•Movimiento no-viscoso / laminar / turbulento / LES

•Transporte de especies y combustión


FLUENT C t í tiFLUENT: Características

ESPECIFICOS ( l ió )ESPECIFICOS (selección)

•Turbulencia: k-e, RNG, k-w, RSM, DES, LES, V2F

•DPM: Spray, gotas / partículas

•Flujo Multifásico: Euler/ Mixture / VOF•Flujo Multifásico: Euler/ Mixture / VOF

•Malla dinámica

•Diversos módulos: TurboG, MPD,


Ej l A di á i tEjemplos: Aerodinámica externa


Ej l P l ióEjemplos: Propulsión


FLUENT Ej lFLUENT Ejemplos


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