SEMINARIO DE SIMULACIÓN PROPULSIÓN

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1 SEMINARIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN Juan Manuel Tizón Pulido Motores Cohete: Capítulo 2

2 Posibles escenarios

3 DEFINICIÓN 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. Es una herramienta cada día más útil (prácticamente t imprescindible) i 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. Complementaria a la experimentación, profundiza mas allá de las técnicas analíticas, ahorrando tiempo y dinero en los ciclos de diseño de los productos.

4 EXPERIMENTACIÓN vs. SIMULACIÓN CFD ofrece una ventaja inestimable en problemas en los que es difícil o imposible el estudio experimental utilizando técnicas tradicionales EXPERIMENTACION Descripción cuantitativa del flujo Una cantidad en cada instante Para un limitado número de puntos de medida en cada instante En un caso de operación determinado Para un diseño en particular Fuentes de error: Incertidumbres experimentales e interferencia de las sondas SIMULACIÓN Predicción cuantitativa del flujo Todas las cantidades en todos los instantes Con alta resolución espacial y temporal En cualquier caso de operación Para un cualquier diseño Fuentes de error: Modelado, discretización, convergencia, implementación.

5 OBJETIVOS DEL CURSO Conocer el alcance (estado del arte) del cálculo numérico en las tareas de 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 oce y aplicar los métodos éodoshabituales de eauacó evaluación y validación adacó de resultados. Entender y familiarizarse con las estructuras fluidas (capas límites, ondas de choque, torbellinos, ) que aparecen enlos componentes de los sistemas de propulsión.

6 CONTENIDOS Parte I: Conceptos básicos (2h) I.1 Introducción I.2 2Ecuaciones de conservación. I.3 Condiciones de contorno ParteII: Algoritmos numéricos (3h) II.1 1Técnicas de discretización II.2 Tipos y generación de mallas II.3 Discretización temporal y espacial II.4 Aceleración de convergencia Parte III: Aspectos prácticos (5h) III.1 Técnicas de modelización III.2 Inicialización y desarrollo del cálculo III.3 Cit Criterios i de convergencia III.4 Visualización y análisis de resultados III.5 Validación y calidad de los resultados III.6 Mejora de las soluciones. Adaptación Parte IV: Tutoriales (16h) IV.1 Generación de mallas IV2Flujos IV.2 internos IV.3 Flujos internos/externos Parte V: Temas especiales o avanzados (4h) V1Introducción V.1 altratamiento de la turbulencia V.2 Combustión: Problemática básica V.3 Problemas con flujos heterogéneos Parte VI: Proyecto Final

7 EVALUACIÓN ASISTENCIA EJERCICIOS Entrega de los ejercicios de clase y sus extensiones en los ficheros de trabajo propios del solver (no informes). PROYECTO FINAL

8 PROYECTO FINAL Formulación de consideraciones i básicas Flujo compresible/incompresible (número de Mach) Flujo viscoso/no viscoso (número de Reynolds) Otros Definición del dominio físico y computacional Definición geométrica Generación de la malla Especificación de condiciones de contorno Selección de la estrategia de solución Selección del esquema de discretización espacial/temporal Selección de monitores Análisis de resultados Evaluar el nivel de convergencia Independencia a la malla de los resultados Presentación de resultados (pos-proceso)

9 Desarrollo de las clases Presentación teórica Aspectos formales sobre el modelo físico 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

10 Publicaciones AGARD LIBROS Bibliografía AR-355 (1998), CFD Validation for Propulsion System Components CP-578 (1995), Progress and Challengers in CFD Methods and Algorithms LS-195 (1994), Turbomachinery Design Using CFD AG-325 (1994), Computational aerodynamics based on the Euler equations CP-510 (1992), CFD Techniques for Propulsion Applications AG-311 (1988), Computational Fluid Dynamics: Algorithms and Supercomputers LS-86 (1977), Computational fluid dynamics LS-73 (1975), Comp. methods for inviscid and viscous two-and-three-dimensional flow fields Chung, T. J. (2002) Computational Fluid Dynamics, Ed. Cambridge Unv. Press Wilcox, D. (1993) Turbulence modeling for CFD, Ed. DCW Industries Hirsch, C. (1988) Numerical Computation of Internal and external Flows, Ed. John Wiley & Sons Oran, E. y Boris J. (1987) Numerical simulation of reactive flow, Ed. Elsevier Anderson, D. A., Tannehill J. C. y Pletcher, R. H. (1984) Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer ARTICULOS Jameson, A., (1995) The Present Status,Challengers, and Future Developments in CFD, in AGARD CP-578 Thompson, J. F. (1984) Grid Generation Techniques in Computational Fluid Dynamics, AIAA Journal, v. 22, no. 11 Cuvelier, A. Segal and A. A. van Steenhoven, Finite Element Methods and Navier-Stokes Equations. Kluwer, Turek, S., Efficient Solvers for Incompressible Flow Problems: An Algorithmic and Computational Approach, LNCSE 6, Springer, Lohner, R., Applied CFD Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. John Wiley & Sons, y otros muchos com/

11 LES (2000 s) RANS (1990 s) EULER (1980 s) POTENCIAL NO-LINEAL (1970 s) POTENCIAL LINEAL (1960 s)

12 Cálculo l de estabilidad d dl del avión

13

14

15 DESARROLLO DE PROGRAMAS TRIMPACK Mallas no estructuradas AFM, Steiner, Delaunay Adaptación EUSOL2D Volúmenes finitos Upwinding / Limitersit Transporte de especies

16 TRIMPACK & EUSOL2D

17 CFD Comercial (www.cfd online.com) FLUENT (www.fluent.com) CFX (ANSYS) (www-waterloo.ansys.com/cfx/products/cfx-5) NUMECA (www.numeca.de y START-CD (www.cd-adapco.com) KIVA y FIRE FLOW3D (www.solintec.com) PHOENIX/CHAM (www.cham.co.uk)

18 Procedimiento i Básico Definición del problema.(preproceso) Definición de objetivos. Identificación de la geometría relevante. Creación de la malla. Ejecución dl del solver. Definición de los modelos. Inicialización de la solución. Ejecución y monitorización. Análisis de los resultados.(post proceso) Examen crítico de los resultados. Validación de resultados. Revisión de todo el proceso. Elaboración de un informe.

19 TecPlot: Características ti (www.tecplot.com/products/cfd/cfd_features.htm#04) Función de calculo Análisisde errores Líneas de corriente y trazadores Detección de estructuras fluidas Cálculo de integrales Automatización (macros)

20 ICEM CFD: Características ti (www berkeley.ansys.com/overview/index.html) Multi block structured grids Unstructured tetrahedral and triangular surface grids Unstructured quad grids Body fitted Cartesian grids Refined H grids Etc..

21 FLUENT: Et Estructurat

22 GAMBIT: Características ti Sistema integrado: Capacidades CAD Generación automática de la malla Análisis de calidad de la malla

23 FLUENT: Características ti GENERALES Método de los Volúmenes Finitos Solvers: Basado en presión/densidad (antiguos Segregated g / Coupled) 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

24 FLUENT: Características ti ESPECIFICOS (selección) Turbulencia: k-e, RNG, k-w, RSM, DES, LES, V2F DPM: Spray, gotas / partículas Flujo Multifásico: Euler/ Mixture / VOF Malla dinámica Diversos módulos: TurboG, MPD,

25 Ejemplos: Aerodinámica i externa

26 Ejemplos: Propulsión

27 FLUENT Ejemplos

28 FLUENT Ejemplos

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