ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INEGENIEROS AERONÁUTICOS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. Juan Manuel Tizón Pulido

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1 SEMINARIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN Juan Manuel Tizón Pulido

2 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. Esuna herramienta cada día masútil (prácticamente imprescindible) en las tareas de análisis y diseño de multitud de sistemas en Ingeniería Aeronáutica y, en particular, en los Sistemas de Propulsión. Complementaria a la experimentación, profundiza mas allá de las técnicas analíticas, ahorrando tiempo y dinero en los ciclos de diseño de los productos.

3 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 y aplicar los métodos habituales de evaluación y validación de resultados. Entender y familiarizarse con las estructuras fluidas (capas límites, ondas de choque, torbellinos, ) que aparecen en los componentes de los sistemas de propulsión.

4 CONTENIDOS Parte I: Conceptos básicos (2h) I.1 Introducción I.2 Ecuaciones de conservación. I.3 Condiciones de contorno ParteII: Algoritmos numéricos (3h) II.1 Técnicas 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 Criterios 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 (18h) IV.1 Generación de mallas IV.2 Flujos internos IV.3 Flujos internos/externos Parte V: Temas especiales o avanzados (4h) V.1 Introducción al tratamiento de la turbulencia V.2 Combustión: Problemática básica V3P V.3 Problemas con flujos heterogéneos Parte VI: Proyecto Final

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

6 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

7 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..y otros muchos

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

9 Cálculo de estabilidad del avión

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

11 DESARROLLO DE PROGRAMAS: TRIMPACK & EUSOL2D

12 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) co

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

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

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

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

17 FLUENT: Características GENERALES Método de los Volúmenes Finitos Solvers: Basado en presión/densidad (antiguos Segregated / 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

18 FLUENT: Características 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,

19 Ejemplos: Aerodinámica i externa

20 Ejemplos: Propulsión

21 FLUENT Ejemplos

22 FLUENT Ejemplos

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