Simulación numérica en mecánica de fluidos

Se pretender mostrar diferentes posibilidades para la resolución de problemas que surgen en el ámbito de la Mecánica de Fluidos, utilizando tanto software comercial, software libre o software desarrollado en el entorno de la Universidad. Todos los módulos tienen una estructura común. El objetivo es, en todos los casos, simular la evolución de un fluido en situaciones concretas. Para alcanzar este objetivo:

En la parte teórica, se comienza por presentar el modelo o modelos matemáticos mejor adaptados a la resolución del problema. En todos los casos, se consideran modelos deterministas basados en las ecuaciones generales de la Mecánica de Fluidos (ecuaciones de Navier-Stokes y Euler), así como en algunas de sus simplificaciones (ecuaciones de aguas someras).

Una vez planteado el modelo, se introducen las ideas principales del método numérico elegido para resolver el sistema de ecuaciones en derivadas parciales que se han introducido en la etapa anterior.

En la parte práctica, se utiliza un paquete de software (a elegir entre varios, cuando es posible) para simular la situación concreta planteada. La simulación comprende siempre tres etapas:

  1. Pretratamiento: generación de la malla del dominio de cálculo (zona ocupada por el fluido), definición de las condiciones iniciales, de contorno y de los diferentes parámetros del modelo.
  2. Ejecución efectiva de los cálculos en ordenador.
  3. Postratamiento: visualización y análisis de resultado.
  • Coordinador: José Luis Ferrín González
  • Equipo de desarrollo: José Luis Ferrín, Fernando Varas, Carlos Parés y Macarena Gómez
  • Sectores: Ingeniería civil, ingeniería hidráulica, administración pública relacionada con gestión de riesgos, energía, medio ambiente
  • Software: Ansys Fluent, OpenFoam, Elmer, HySea, Freefem++, MIKE, TELEMAC

 

 

MÓDULOS DE NIVEL BÁSICO

Módulo B1_Freefem. Flujo de un fluido bidimensional incompresible en una cavidad abierta

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con Freefem.
Módulo B1_Fluent. Flujo de un fluido bidimensional incompresible en una cavidad abierta

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos

 Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas).

Contenidos:  

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo B2_Freefem. Flujo bidimensional de un fluido incompresible en torno a un obstáculo cilíndrico: transición a la turbulencia

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:  

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con Freefem.
Módulo B2_Fluent. Flujo bidimensional de un fluido incompresible en torno a un obstáculo cilíndrico: transición a la turbulencia

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo B3_Freefem. Flujo bidimensional de un fluido incompresible bidimensional entre dos placas con diferentes temperaturas

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación del calor.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con Freefem.
Módulo B3_Fluent. Flujo bidimensional de un fluido incompresible bidimensional entre dos placas con diferentes temperaturas

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación del calor.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo B4_Freefem. Evolución de un contaminante emitido al aire a través de una chimenea en medio urbano. Estudio bidimensional

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección difusión.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con Freefem.
Módulo B4_Fluent. Evolución de un contaminante emitido al aire a través de una chimenea en medio urbano. Estudio bidimensional

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:  

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección difusión.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo B5_Freefem. Refrigeración por aire acondicionado en el interior de un edificio

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección difusión.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con FreeFEM.
Módulo B5_Fluent. Refrigeración por aire acondicionado en el interior de un edificio

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección difusión.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo B6. Flujo en lámina libre en un canal curvilíneo con sección rectangular y fondo variable

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con alguno de los siguientes softwares HySEA, MIKE, Telemac,…
Módulo B7. Transporte y difusión de un contaminante en un canal curvilíneo con sección rectangular y fondo variable

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos básicos de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente. Ecuación de advección-difusión.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con alguno de los siguientes softwares HySEA, MIKE, Telemac,…

 

MÓDULOS DE NIVEL MEDIO

Módulo M1_Freefem. Flujo tridimensional de un fluido incompresible en torno a un obstáculo cilíndrico: transición a la turbulencia

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B2_Freefem.

Número de horas: 15 horas (7,5 h. teóricas y 7,5 h. prácticas)

Contenidos:  

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con FreeFEM.
Módulo M1_Fluent. Flujo tridimensional de un fluido incompresible en torno a un obstáculo cilíndrico: transición a la turbulencia

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B2_Fluent.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo M2_Freefem. Flujo tridimensional de un fluido incompresible entre dos placas con diferentes temperaturas

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B3_Freefem

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con FreeFEM.
Módulo M2_Fluent. Flujo tridimensional de un fluido incompresible entre dos placas con diferentes temperaturas

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B3_Fluent.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Modelado de la turbulencia.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo M3. Ciclos de calentamiento-enfriamiento por radiación solar en exteriores de edificios

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B3 y B5.

Número de horas: 15 horas (7,5 h. teóricas y 7,5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de convección-difusión. Modelado de la radiación térmica.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con FreeFEM.
Módulo M4. Flujo en lámina libre en un caso de estudio con datos topográficos

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo B6.

Número de horas: 10 horas (5 h. teóricas y 5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente.
  • Método de volúmenes finitos. Tratamiento del término fuente.
  • Resolución del problema con alguno de los software: HySEA, MIKE, Telemac, ...
Módulo M5.  Simulación de la evolución de una capa de sedimentos bajo la acción de un flujo en lámina libre en un caso de estudio con datos topográficos

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes a los módulos B7 y M4.

Número de horas: 15 horas (7,5 h. teóricas y 7,5 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente. Modelado del transporte de sedimentos.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con alguno de los software: HySEA, MIKE, Telemac, ...

 

MÓDULOS DE NIVEL AVANZADO

Módulo A1_Freefem. Evolución de un contaminante emitido al aire a través de una chimenea en medio urbano. Estudio tridimensional

Responsable: Macarena Gómez Mármol

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes a los módulos M1 y M2.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección-difusión.
  • Método de elementos finitos.
  • Resolución del problema con FreeFEM.
Módulo A1_Fluent. Evolución de un contaminante emitido al aire a través de una chimenea en medio urbano. Estudio tridimensional

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes a los módulos M1 y M2.

Número de horas: 10 horas (2 h. teóricas y 8 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico tridimensional. Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles. Ecuación de advección-difusión.
  • Introducción a Ansys Workbench.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo A2. Simulación de los procesos de combustión en una caldera industrial

Responsable: José Luis Ferrín González

Conocimientos previos: Conocimientos avanzados de mecánica de fluidos, matemáticas y métodos numéricos.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Teoría de flujos reactivos.
  • Modelos de combustión.
  • Resolución del problema con Ansys Fluent.
Módulo A3. Estudio del transporte, carga y deposición de sedimentos en la plataforma continental, en las proximidades de la desembocadura de un río

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes a los módulos M4 y M5.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente. Modelado del transporte de sedimentos. Modelado de la capa y deposición de sedimentos.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con HySEA, MIKE, ...
Módulo A4. Inundación en medio rural debida a la crecida de un río: un caso práctico

Responsable: Carlos Parés Madroñal.

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo M4.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente. Tratamiento de frentes seco/mojado.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con HySEA, MIKE, ...
Módulo A5. Inundación en medio rural debida a la rotura de una presa: un caso práctico

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo M4.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con HySEA, MIKE, ...
Módulo A6. Generación y propagación de un tsunami bajo los efectos de una avalancha submarina en la plataforma continental: un caso práctico

Responsable: Carlos Parés Madroñal

Conocimientos previos: Conocimientos correspondientes al módulo A4.

Número de horas: 20 horas (8 h. teóricas y 12 h. prácticas)

Contenidos:

  • Modelo hidrodinámico bidimensional. Ecuaciones de aguas someras con término fuente. Modelo de medio granular para la avalancha submarina. Términos de fricción.
  • Método de volúmenes finitos.
  • Resolución del problema con HySEA.
 
EJEMPLO: Aplicación en el sector de ingeniería hidráulica y consultoría ambiental.

Se trata del estudio de inundaciones producidas por roturas de presas, utilizando la plataforma HySEA, para simular la inundación que produciría la rotura de una presa real en una zona rural y/o urbana próxima a la misma, a fin de evaluar el caudal de la inundación y las zonas afectadas por la misma.

Los objetivos a alcanzar son:

  1. A partir de datos cartográficos en formato estándar, obtener la malla y la topografía en los formatos propios de la plataforma usando los módulos de pre-procesamiento.
  2. Ejecutar la simulación en remoto usando la interfaz web.
  3. Análisis de los resultados. Introducción al uso del módulo de post-proceso, visualización y análisis de datos.

Los resultados del modelo permiten obtener una predicción de las zonas afectadas por la inundación, así como el tiempo de llegada a las mismas. En las siguientes figuras se muestran dos instantes de la inundación:

  1. La primera, corresponde a los instantes iniciales de la simulación de la inundación tras la ruptura de la presa del Limonero (Málaga).

  1. La segunda, a la que se le ha superpuesto una imagen satélite, es una captura tras 4 minutos de la rotura de la presa.

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