Software libre de simulación numérica fluidodinámica aplicado al sector naval - OpenFOAM

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1 Software libre de simulación numérica fluidodinámica aplicado al sector naval - OpenFOAM Vicente Díaz Casás 1) Pablo Fariñas Alvariño 1) Alba Martínez López 1) Marcos Míguez Gonzalez 1) Resumen 1) Grupo Integrado de Ingeniería, Universidade da Coruña El software libre o código abierto se ha convertido en una de las estrategias de desarrollo colaborativo de herramientas informáticas de mayor auge en los últimos años. El uso de estas herramientas supone un cambio radical en la estructura de negocio en este campo, ya que se pasa de un sistema basado en productos a uno basado en servicios. Dentro de las diversas herramientas disponibles de aplicación al sector naval, se puede destacar el OpenFOAM como librería de simulación en mecánica de fluidos. En este trabajo se presentan las capacidades de esta herramienta y los proyectos realizados por el Grupo Integrado de Ingeniería basados en ella. Abstract Theopen source software has become one of the strategies for developing collaborative tools for the further rise in recent years. The use of these tools involves a radical change in the structure of business, in this field as it moves from a product-based system to one based on services. Among the various tools available for application to the shipbuilding industry, one can emphasize the library as OpenFOAM simulation fluid mechanics. This paper presents the capabilities of this tool and the projects developed by the Integrated Group for Engineering Research of the University of A Coruña based in it. 1. Introducción La utilización de de herramientas de simulación numérica, especialmente en el campo de la fluidodinámica y transmisión de calor, por parte de la pequeña y mediana empresa presenta dos barreras fundamentales: La necesidad de personal especializado para su uso e interpretación. El alto coste de las aplicaciones comerciales de simulaciones. Una de las alternativas que se presentan para solventar estas dificultades es la utilización de herramientas específicas basadas en software libre. Dentro de ellas se va a presentar la librería de simulación OpenFOAM y sus características principales. Uno de los objetivo que se plantean con ella es mostrar sus posibilidades para la simulación de sistemas por PYMES del sector naval. 2. Software libre El software libre o free software puede definirse de forma genérica a aquel que posibilita a los usuarios su uso, copia, modificación y distribución

2 Atendiendo a la definición de la Free Software Foundation[1], el software libre se refiere a la libertad de los usuarios para ejecutar, copiar, distribuir, estudiar, cambiar y mejorar el software. Dentro de este campo pueden distinguirse cuatro libertades fundamentales: Usar el programa con cualquier propósito. Estudiar el funcionamiento del programa y adaptarlo a sus necesidades. Distribuir copias. Mejorar el programa y hacer públicas las mejoras. Si bien estas cuatro libertades condicionan claramente el software desarrollado bajo esta premisa este no puede identificarse con software de dominio público ni como gratuito. Respecto al primer punto, salvo que el autor ceda sus derechos de explotación a la humanidad, en la utilización del software libre han de respetarte los derechos de autor así como las licencias de uso que se impongan al mismo. Así podrán ejercerse el conjunto de libertades anteriores aunque siempre siguiendo los requerimientos impuestos por las licencias y respetando los derechos de autor previos. En lo referente a su gratuidad, aunque este suele ser gratuito o con el único coste del soporte físico, esta característica no es un requisito para su consideración como software libre. Por este motivo no puede identificarse software gratuito con software libre. Estos principios suponen un cambio significativo en la estrategia comercial de las empresas dedicadas al desarrollo de software libre, se pasa de un modelo basado en el producto a uno basado en el conocimiento. Dentro de las distintas posibilidades pueden distinguirse dos grupos principales: Desarrollo de software específico. Una de las alternativas es el desarrollo de software libre para solventar un problema o una necesidad concreta de un cliente. En este caso es necesario distinguir entre los distintos tipos de licencia utilizada, ya que según sea la utilizada puede ser obligatorio su difusión o no puede cobrarse por su difusión, si por su desarrollo. Asesoramiento y soporte técnico. En este caso se distribuye un software de forma gratuita pero la empresa se financia a través de actividades de formación o como asesores para su aplicación o uso. Puede parecer que desde el punto de vista de la empresa de desarrollo no es interesante el desarrollo de software libre ya que, frente al software propietario, no liga el el uso de un software a la adquisición de un sistema cerrado. Sin embargo el desarrollo de software libre presenta una importante ventaja: al disponer de una comunidad de usuarios que acceden libremente al código ésta puede desarrollar nuevas funcionalidades que pueden incluirse en las siguientes versiones del producto. 3. OpenFOAM. Fundamentos y estructura. OpenFOAM, Open Field Operation and Manipulation,[2] es una biblioteca de simulación numérica que permite discretizar y resolver sistemas de ecuaciones en derivadas parciales que modelan problemas de ingeniería: ecuaciones de Navier-Stokes, de Maxwell... Está biblioteca se estructura en módulos programados en C++ y desarrollados siguiendo licencias GPL [3], incorporando utilidades de pre y postprocesado para la transformación de información, obtención de magnitudes derivadas y su visualización. Como los orígenes de Openfoam están vinculados a la mecánica de fluidos, discretiza las ecuaciones usando el método de volúmenes finitos. Está previsto para trabajar sobre mallas no estructuradas tridimensionales con elementos tetraédricos, hexaédricos y pentaédricos. Además, puede transformar la información y resolver problemas mediante elementos finitos. Esto resulta especialmente útil en algunos casos de sistemas de ecuaciones acopladas, tales como interacción fluido/estructura. Otra ventaja a la hora de resolver problemas - 2 -

3 de gran tamaño es que incorpora un procedimiento de paralelización automica de los algoritmos, que no necesita la intervención directa del usuario. Al tratarse de un código completamente abierto permite la incorporación de nuevos módulos, lo que proporciona un entorno de trabajo flexible y cómodo que puede ser utilizado tanto por el usuario no iniciado en los métodos numéricos (que se limitaría a utilizar los programas de la biblioteca) como por el experto (que podría incorporar sus propios códigos de discretización, resolución y postprocesado). Estructura básica de programación en OpenFOAM La biblioteca OpenFOAM proporciona las herramientas necesarias para la discretización y resolución de ecuaciones de derivadas parciales. En esta sección se resume la secuencia modelo de un procedimiento general de programación. 1. Inicialización del problema. Se crea el objeto problema y se leen los parámetros generales, por ejemplo la opción de paralelización y el número de CPU, la posición en el árbol de archivos y los nombres de los ficheros Foam::Time problema(runtime, rootpath (),args()); 2. Lectura o creación de la malla. OpenFOAMpuede crear mallas y también leerlas de ficheros generados por otros preprocesadores: Gambit, Ideas, Grid, Ansys... El resultado final tiene que ser una malla de elementos y caras, distinguiendo para estas últimas entre interiores y frontera. Además existe un módulo que permite obtener la información necesaria para una malla de elementos finitos formada por tetraedros a partir de una de volúmenes finitos con elementos de geometría arbitraria. fvmesh mesh(fvmesh,runtime.timename(),runtime,must READ); 3. Inicialización de las variables y constantes. Se definen y generan las distintas variables que intervienen en el modelo. Como norma general el tipo de variable se define por dos parámetros fundamentales. El primero indica si la variable está asociada al elemento, vol, o a sus vértices, point, aunque se podrían definir variables sobre puntos tales como baricentros, centros de cara. El segundo define el tipo de variable: escalar, Scalar, vectorial, Vector, o tensorial, Tensor. Por ejemplo: volvectorfield U (``U'',problema, fvmesh); Además debe crearse el archivo de datos de la variable que contiene: Dimensiones de la variables. Se explicitan los exponentes en un vector de la forma: [masa, longitud, tiempo, temperatura, moles, intensidad, luminosidad]. Esto permite a OpenFOAM verificar que las ecuaciones que se resuelven son homogéneas en dimensiones. Para la variable velocidad U del caso anterior, dimensions[ ]; Valor inicial. A todo campo utilizado debe asignárse un valor inicial, ya sea definiendo un valor uniforme para todo el dominio, dependiente del elemento o resultados de otra ejecución. internalfield uniform (8 0 0); - 3 -

4 Condiciones de contorno. Para cada región de la frontera debe definirse obligatoriamente su tipo y si es necesario, el valor de la magnitud. Los tipos pueden ser Neumann, si se fija una derivada normal; Dirichlet, si se impone un valor, o vacío. También permite definir combinaciones de la anteriores como la wall que fija una condición Neumann para la presión y Dirichlet para la velocidad Definición de la ecuación del modelo. Se define la ecuación en derivadas parciales utilizando los operadores básicos implementados en la biblioteca (véase [4]). Por ejemplo, la ecuación de Navier- Stokes,, para la variable U se escribe como: volvectorfield U_old((U_old'',problema,fvMesh),U); NSqn (fvm::div (rho, U*U\_old) - fvm::laplacian(mu,u)) ; 5. Resolución del sistema. Definido el sistema lineal completo OpenFOAMlo resuelve, por ejemplo, solve (NSqn () == -fvc::grad (p)); - 4 -

5 Fig. 1.Comparación numérica experimental mediante OpenFOAM 4. Capacidades del OpenFOAM. Una de las principales características que desde el diseño inicial se ha desarrollado buscando que sea un sistema abierto. Esta característica junto con sus características de software libre ha posibilitado el desarrollo de numerosos solvers así como herramientas de pre y post procesado para adaptarse a un gran abanico de casos. Entre los distintos solvers pueden destacarse: Fluidos incompresibles o boundaryfoam. Solver estacionario para flujos turbulentos de 1D. o icodymfoam. Flujo laminar no estacionario con movimientos de malla asociados o icofoam. Flujo laminar no estacionario o nonnewtonianicofoam. Flujo laminar no estacionario para flujos no estacionarios o oodles. LES para flujos incompresibles o simplefoam. Flujos turbulentos incompresibles y estacionarios o turbfoam. Flujos turbulentos incompresibles no estacionarios - 5 -

6 Fig. 2. Distribución de presiones sobre la vela Fluidos compresible o coodles. LES para flujos compresibles o rhopimplefoam. Flujos turbulentos para ventilación y trnsferencia de calor. o SonicFoam. Flujos no estacionarios y laminares para gases en situaciones trans y supersónicas. Flujos multifase o bubblefoam. Dos fluidos incompresibles con una fase dispersa o interdymfoam. Dos fluidos incompresibles con captura de interfase y desplazamiento de malla o lescavitatingfoam. Procesos no estacionarios de cavitación con turbulencia mediante LES. Combustiones o coldenginefoam. Fujos en procesos de combustión sin considerar la transmisión de calor o dieselenginefoam. Análisis de procesos de combustión con inyección en diesel spray. o Xoodles. Simulación de procesos de combustión con modelado de turbulencia mediante LES. Transmisión de calor o buoyantfoam. Flujos turbulento para flujos compresibles para fenómenos de ventilación y transmisión de calor, los efectos gravitacionales son considerados o buoyantsimpleradiationfoam. Flujos turbulentos para fluidos compresibles con fenómenos de radiación. Análisis de fuerzas - 6 -

7 o soliddisplacementfoam. Solver no estacionario para pequeñas deformaciones elásticas, con efectos térmicos En la lista anterior se muestra un pequeño ejemplo del herramientas previamente implementadas. Sin embargo, una de las importancias ventajas de esta librería es que no sólo proporciona un conjunto elevado de solvers sino que permite, de una forma sencilla, la creación de utilidades específicas que se adapten a problemas específicos. Fig. 3. Campo de presiones en la hélice Dentro de las distintas líneas de desarrollo pueden destacarse seis grupos principales: Automoción y motores de combustión Modelos de turbulencia Turbomáquinas Hidrodinámica naval Interacción fluido-estructura Estos grupos interdisciplinales, en los que participan tanto centros de investigación como empresas, tienen establecido redes de comunicación y de desarrollo conjunto con el objetivo de desarrollar aplicaciones o herramientas comunes. Además una de las principales líneas de trabajo que se todos los grupos están realizando es la validación de los resultados obtenidos

8 5. Proyectos del Grupo Integrado de Ingeniería. Desde el punto de vista del desarrollo de proyectos de I+D la utilización de OpenFOAM presenta dos claras ventajas, por un lado, permite utilizar elevados recursos de cálculo y, por otro lado, desarrollar simuladores específicos para problemas concretos. Así, la utilización de software libre permite la utilización de los recursos de los grandes centros de computación sin tener que abonar el elevado coste que supone el uso paralelo de otros programas comerciales. Además la otra ventaja clara, sobre todo cuando se trabaja en el desarrollo de proyectos de investigación, es la posibilidad de implementar nuevos simuladores para problemas complejos. Esto posibilita combinar sistemas o modelos numéricos de tal forma que se puedan interrelacionar distintos elementos. Como ejemplos de estos casos pueden indicarse los problemas de interacción fluido/estructura como la combinación de solvers fuidodinámico para conocer las fuerzas fluidodinámicas sobre el mismo y otro de seis grados de libertad o de deformaciones para conocer la respuesta del objeto. Dentro de los distintos problemas que se abordan o se están abordando dentro del Grupo Integrado de Ingeniería pueden destacarse: Métodos de optimización aplicados al diseño de velas de competición. Verificación experimental / computacional de problemas aerodinámicos. Simulación de problemas de cavitación en bombas. Simulación de la respuesta dinámica de timones. Comportamiento dinámico de buques. Simulación de elementos submarinos. 6. Transferencia a las PYMES del sector naval. En el apartado anterior se ha indicado las posibilidades del uso del OpenFOAM como herramienta para el desarrollo de proyectos de investigación. Sin embargo otra área importante de utilización es cubrir las necesidades de simulación de PYMES. La ventaja que presenta esta librería es su bajo coste de implantación frente a otros sistemas comerciales. Sin embargo, en su contra, es necesario resaltar la necesidad de un proceso de aprendizaje mayor. Es en este punto donde se manifiesta una de las virtudes del uso de software libre, ya que al disponerse del código fuente y con posibilidad de modificación, es posible desarrollar aplicaciones a medida de la PYME. De este modo puede generarse un software específico, adaptado al personal y requerimientos de la empresa. Análisis de procesos que pueden realizarse de forma sistemática, tales como pérdidas de carga, exahustacion es, ventilaciones, etc. pueden generarse interfaces que eliminen este proceso de aprendizaje y de aplicación directa en la empresa. Dentro del sector naval y en tiempos en los que cada vez es más necesario incrementar el valor añadido de los productos que generamos, el uso de estas herramientas permite ofrecer mejores productos sin incrementar significativamente el coste del mismo

9 Bibliografía OpenFOAM. The Open Source CFD Toolbox. Programmer s Guide. Version th July

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