Cómo realizar una simulación de fluidos en Ansys Discovery Simulation

 

En todas las industrias en donde haya corrientes de proceso muchas veces es necesario poder hacer propuestas de diseño, modificaciones a los sistemas existentes, validaciones operacionales o redimensionamientos en los sistemas de flujo. En todos esos casos es muy útil poder disponer de alguna herramienta de simulación que facilite los cálculos, con versatilidad en la implementación de cambios y ajustes, pero sin incurrir en grandes inversiones de tiempo, garantizando siempre la calidad de los resultados.

En estos escenarios de prediseño o verificación operacional, Ansys Discovery es una herramienta multipropósito de simulación directa que facilita este tipo de trabajo. Su interfaz amistosa y fácil de usar permite que proyectistas, calculistas e ingenieros juniors con pocos conocimientos de simulación puedan realizar proyectos completos de forma intuitiva y con gran precisión de análisis. En este artículo aprenderemos cómo configurar una simulación básica para flujo de fluidos con Ansys Discovery.

Al iniciar el software la interfaz tiene un sistema de simulación guiada que permite rápidamente entender los distintos menús y herramientas para iniciar un nuevo proyecto. Fácilmente se puede seleccionar entre levantar desde cero una nueva geometría con su modelador CAD, o hacer una importación desde un software CAD externo. Ansys Discovery es el único software CAE del mercado que lee directamente todas las extensiones de geometrías de marcas comerciales sin ningún tipo de limitaciones en lo referente de perdida de información durante la importación y manteniendo siempre los formatos nativos de los archivos. 

Una vez que la geometría está disponible, en el modo Exploración es muy sencillo seleccionar el tipo de análisis que desea realizarse. Puede alternarse entre simulación estructural, térmica en sólidos o de flujo de fluidos. En el caso del video mostrado mas abajo se trata de la intersección de dos tuberías que confluyen en una común. La intensión es poder definir flujos másicos, temperaturas y tipo de fluido en cada una de las dos entradas y poder validar cómo es la mezcla de ambas corrientes en búsqueda de perfiles de velocidad, temperatura, presión y en general patrones de flujo que cumplan con las especificaciones de diseño del proceso a validar.

Como puede observarse es bastante rápida la evaluación de la geometría para verificar los distintos componentes y secciones del modelo que recién se importó. Considerando que se trata de una tubería, es necesario poder definir el volumen de control para la simulación de flujo interno. Para ello en el menú de “Preparación” y con la función  “Extractor de volumen” es tan sencillo como seleccionar las dos caras con los extremos de entrada y su opuesta con la cara de salida para que de forma automática se cree en un solo clic el volumen de trabajo necesario para el cálculo de fluidos.

Ya con el volumen definido, se puede usar el menú de simulación para escoger la física de estudio, en este caso “Flujo de Fluidos”. En ese momento se definen las superficies de entradas o “Inlets” ajustando por ejemplo la velocidad, el flujo másico o la presión de cada entrada; con la opción de ajustar la temperatura local de ser necesario para representar con mayor veracidad el proceso que se desea representar. En el caso de la salida, basta con modificar la condición de borde a un “Outlet” y también especificar de ser necesario la velocidad, el flujo másico o la presión según el dato de operación que se conozca de ese sector. Finalmente, es importante definir el fluido de trabajo, por ejemplo, líquido o gas, y especificar sus propiedades físicas como la densidad, viscosidad, coeficiente de expansión térmica, entre otras. Con estos pocos pasos ya tenemos listo nuestro modelo para verificar los resultados del sistema a modelar.

A medida que se configuran condiciones de borde, siempre a mano derecha en la ventana de exploración aparecerán los inputs con los valores ya definidos para su rápida verificación y auditoría.

Una vez que se inicia la simulación con el botón “Solve”, de forma automática empiezan a verse resultados de forma inmediata y por eso se llaman simulaciones directas aprovechando la tecnología de GPU’s de las tarjetas gráficas de la computadora. Ya en el modo de exploración de resultados es factible navegar entre resultados de contornos con valores de velocidad, temperatura, presión o líneas de corriente en diferentes modos de visualización. 

Una de las grandes funcionalidades de esta herramienta, es que permite proponer cambios geométricos sobre la simulación para verificar los cambios en los patrones de flujo y así definir cual sería la mejor configuración posible que permita resolver el problema de ingeniería que se intenta modelar. Basta con seleccionar el menú de Geometría y, por ejemplo, seleccionar una superficie propuesta a modificar para aplicar algún comando como halar (“Pull”) y rápidamente observar cómo de forma instantánea varían las corrientes de flujo al extender una longitud del brazo de salida en el sistema de tuberías.

En caso de que se deseen realizar estudios más precisos es posible aprovechar funcionalidades de simulaciones avanzadas, controles de mallado global o local, con miras por ejemplo a hacer un refinamiento de malla. Para ellos solo es necesario seleccionar el volumen de control y aplicar condiciones para definir el tamaño promedio de los elementos. Siempre es posible visualizar la malla resultante para verificar que las variables dimensionales de la misma reproduzcan adecuadamente la geometría de la pieza a evaluar.

Los resultados no sólo deben ser contornos de color con valores de variables de análisis. También pueden definirse variables de forma gráfica o tabular, y por ejemplo monitorear el valor de la presión en un punto de interés para verificar la caída de presión en ese sector del sistema de tuberías. Para esas variables se pueden aplicar algoritmos de convergencia específicas que permiten definir cuando ese resultado de la simulación ha llegado a un buen nivel de precisión numérica.

Al aplicar estos comandos, la simulación puede tardar algún tiempo adicional en comparación con el modo exploración en donde se muestran resultados de forma directa. Sin embargo, permite tener resultados definitivos en tan solo algunos minutos dependiendo del hardware computacional disponible.

 

Como pudo verse Ansys Discovery es una herramienta poderosa de simulación directa que permite hacer validaciones de diseño de forma rápida y sencilla. En este caso en una simulación de fluidos, pero también pueden integrarse varias físicas como por ejemplo la determinación de los perfiles térmicos en el sólido de la tubería, y con ello un estudio de esfuerzos producto de las diferencias locales de temperaturas del sistema. 

Para mayor información sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten:

https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/  

 La información técnica usada en este blog es cortesía del canal de YouTube Ansys How To.