MANUAL DE CFD

MANUAL DE CFDPONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANAGIOVANNI ANDRS SENZ

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

PROYECTO ESPECIAL DE CFD

Realizado por:Giovanni Andrs Senz

MANUAL DE CFD

Presentado a:JORGE ESCOBAR

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL13 FEBRERO - 2014CONTENIDO

1. INTRODUCCIN

2. C.F.D.

3. INTRODUCCIN A EL MANEJO DE FLUENT

4. EJEMPLO.4.1. GEOMETRA4.2. ENMALLADO4.3. SETUP4.4. SOLUTION4.5. RESULTADOS4.6. GEOMETRA EN 3D

5. BIBLIOGRAFA

INTRODUCCINEste es un manual muy sencillo, en el cual intentara dar una breve explicacin de manejar el programa, con un ejemplo sencillo, en que se trataran todos los aspectos sencillos para observar el comportamiento de fluidos sobre una superficie ya sea como el agua en un tubo, el aire en un baln o en un vehculo. Con esta herramienta que nos permite obtener resultados a nivel terico de un curso de mecnica de fluidos.

CFDLa mecnica de fluidos computacional (CFD) es una de las ramas de la mecnica de fluidos que utiliza mtodos numricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos en un determinado espacio. Se utilizan diversos programas en computadores para realizar miles de clculos necesarios para simular el comportamiento de fluidos con superficies complejas usadas en la ingeniera. Mas sin embargo los resultados son aproximados.Hay diversos programas en los cuales se puede trabajar como lo son:-Abaqus de Dassault Systmes-fluent de ANSYS (ser el programa que vamos a trabajar)- Flowlink- Star-CCM+ de adapco

INTRODUCCIN A EL MANEJO DE FLUENT DE WORKBENCHPrincipalmente debemos saber que para trabajar fluent lo haremos en el programa Workbench, el cual tiene una serie de programas, sin embargo el programa que manejaremos ser FLUID FLOW (fluent),

en fluent encontraremos una serie de procedimientos los cuales debemos cumplir, paso a paso, entre estos esta:

1. Geometry: la geometra del objeto que deseamos analizar2. Mesh: en esta opcin haremos una serie de mallas con las que podremos analizar nuestro objeto en cada parte de este.3. setup: aqu podremos observar y definir las condiciones en las cuales estar este objeto, como lo es el contorno, materiales, parmetros, tipo de flujo.4. Solution: en esta opcin no realizaremos nosotros como tal ningn procedimiento, ya que esto es un proceso en el cual el programa realiza una serie de iteraciones, para entregarnos una serie de datos y valores, que interactan con el objeto a nivel teorico.5. Results: es una representacin grfica de los valores obtenidos anteriormente, con lo cual podemos analizar con una serie de contornos, el comportamiento las lneas de flujo con respecto a el objeto.

En un breve resumen, aqu encontraremos que para realizar este trabajo se realizara, en tres (3) pasos, los cuales en clase se definirn como PRE-PROCESO, PROCESO y POST-PROCESO.

PRE-PROCESO: planos y esquema, geometra y enmallados del objetoPROCESO: clculos y predicciones del modelo, a partir de un cojuntos de ecuaciones observadas en clase, entre ellas, ley de la conservacin de la masa.POST-PROCESO: resultados y anlisis de estos.

EJEMPLO: COMPORTAMIENTO TUBERIA CON CODOS DE 90 EN UN FLUJO ESTACIONARIO

Para empezar empezaremos con el PRE-PROCESO.GEOMETRA: Como este manual es una introduccin se trabajara con una geometra sencilla.Recomendaciones: obtener un plano del objeto que se analizara, el programa Workbench tiene un CAD, en este caso ser el que se usara. Recuerden que en nuestro dibujo todas las lneas que usemos queden bien unidas, ya que el programa no reconocer su geometra y ser muy difcil, encontrar el problema.En el programa hay una opcin de insertar dibujos, de AutoCAD, esta opcin es solo recomendable en el caso que deseen trabajar en 3D, ya que este dibujo para poder ser insertado deben darle una profundidad (Extrud), en este caso trabajaremos con algo sencillo y al final del ejemplo se nombrara como realizar objetos en 3D desde workbench y se nombrara los pasos a seguir para exportar desde AutoCAD.Recordemos que en este punto debemos hacer una superficie de control y el dibujo de nuestro objeto.Un volumen de control es un espacio arbitrario que se instituye con el objeto de estudiarlo. Es un sistema termodinmico con la propiedad aadida que se admite la posibilidad de entradas y salida de masa. Por lo dems, el volumen de control intercambia calor con una fuente trmica y abajo con una o varias fuentes de trabajo.

La superficie de control separa el volumen de control del exterior. Es una frontera imaginaria que puede tener lmites reales o imaginarios.Paso 1. Plano del objeto que analizaremosTenemos el siguiente plano o descripcin del proyecto que deseamos trabajar. en este caso tomaremos como ejemplo el canal de agua que se encuentra en el laboratorio de hidrulica.Dimensiones tomadas en el laboratorio. (Vista en planta).

fig. 1. Esquema de tubo de PVC con codo de 90.CARACTERES QUE DEBEMOS TENER EN CUENTA EN EL MOMENTO DE TRABAJAR NUESTRO PROGRAMA se a realizado con xito y esta listo para ser trabajado. no se ah realizado el procedimiento anterior para poder ejecutar el programa. falta algo por realizar o por ejecutar, para que pueda ser usado. algo que se realizo esta incorrecto. El programa no entiende que es lo que desea hacer.

Paso 2. Realizaremos la geometra en el programa.Antes de empezar a trabajar se debemos colocar en la barra de propiedades de la geometra en analysis type 2D.

Figura 2. Definicin del tipo de anlisis como 2D en la barra de propiedades de la geometra.

Como primer paso tenemos abrir el design modeler que hacer parte de los programas de ANSYS. Al abrirlo creamos cambiamos las propiedades de la geometra a 2D, y de esta forma damos doble click en geometra para empezar a dibujar.

FIg. 3Esta es una figura de la pantalla completa donde se encuentra esta opcin.

IMPORTANTE: definir las unidades (es la primera opcin que dar el programa al abrir la opcin de geometra) con las cuales vamos a trabajar, procuren de trabajar tamaos no muy grandes, ya que a la hora de realizar las mallas y los clculos se tardara mas si son modelos con tamaos muy grandes, por lo que es prudente realizar una escala dependiendo de el objeto a trabajar, ya que no es lo mismo trabajar con el tamao de un baln de futbol a el tamao de un cohete espacial.

Figura 4. Definicin de las unidades en el design modeler.

si para ustedes es ms cmodo realizar el dibujo teniendo una gua, o una cuadricula, para ello, podemos activar una opcin que tiene el programa para tener una cuadricula. esta opcin se realiza de la siguiente manera.se puede activar una cuadricula con las dimensiones y las divisiones que se antojen en la pestaa Settings >Grid >show in 2D. Major Grid Spacing es la longitud de las divisiones principales y Minor-steps per Major son el nmero de divisiones secundarias por cuadro. Ej.: Major: 5 (aqu no se le aaden los sufijos de unidades); Minor: 5 (por cada divisin secundaria se aumentara 1 cm. Teniendo las unidades definidas y preparadas la ayuda dada anteriormente observaremos una serie de lista en la parte izquierda de la pantalla.

Fig. 5 Si observamos debajo de esta lista observaremos que hay dos botones los cuales sern SKETCHING (dibujando) y MODELING (modelando), observaremos que en la parte superior se activaran unos botones y a su vez se desactivaran otros como lo observamos en la siguiente imagen.Sketching

Modeling

Estos botones los usaremos ms adelante, pero as como esto se generara una serie de listas segn la opcin que tengamos, observemos que dependiento de el botn seleccionado tendremos, una serie de botones que se utilizan en cada uno de lo que eligamos, observemos que en SKETCHING encontraremos lo siguiente.

Y la de modeling ser la que observaremos, a continuacin.

lo primero que definiremos en el modelo ser el plano en el que trabajaremos.Para poder entender este listado, debemos conocer que el programa maneja la opcin de un esquema en 3D, para el caso de nosotros lo trabajaremos en 2D (alto y largo), para esto le daremos click en uno de los planos que ms nos guste, en este caso ser XY Plane, para ello iremos a la parte inferior derecha y le daremos click encima a la flecha de color azul o del eje Z, con ello, nos permitir trabajar en el plano XY.Antes: Despues:

Luego de esto tendremos que crear algo asi como una hoja en la cual podremos dibujar. En el programa se llama Sketch( dibujo) con este aparecer un numero, indicando que tendremos. Esta opcin se observa en la siguiente imagen. Esta opcin es fundamental a la hora de aadir otro dibujo, sin embargo este SKETCH, el programa lo realiza automticamente empezando a dibujar. Teniendo esto listo, tenemos que saber el numero de sketch tendremos que utilizar, ya que asi como se puede utilizar solamente uno, podemos utilizar tres o mas.Teniento listo esto, vamos a ir a la opcion SKETCHING, un listado de opciones como se observa:

Draw: herramientas para dibujar, algo muy parecido a las opciones que tiene AutoCAD o el mismo paint.Modify: otras herramientas parecidad a las de AutoCAD, achurar un rectngulo, pegar, mover, copiar, etc.Dimensions: herramientas para darle dimensiones de longitud a una lnea, radio de un circulo, etc..Constraints: herramientas de condiciones de perpendicularidad con respecto a un circulo, y simetra, Estas son herramientas muy similares a las que tiene AutoCAD.Para poder dibujar tendremos que estar en la Opcin de Draw,y con ello generar nuestro dibujo en el plano, un ejemplo de esto ser un rectngulo.

Si observamos detenidamente, encontraremos dos letras, P y C, donde P se refiere a el punto inicial o final de una lnea o el centro del plano, y C nos habla de estar encima o sobre un eje o una lnea, esto es importante, ya que al dibujar encontraremos, que deseamos unir una lnea con otra, con respecto a sus puntos finales, pero lo colocamos cuando observamos la letra C, esto generara, que tengamos que repetir nuestro dibujo, ya que a la hora de generar la superficie de control no la definir por este inconveniente.Teniendo este rectngulo podemos colocar una serie de dimensiones para que sea las mismas a las de nuestro plano, observaremos la opcin DIMENSIONS.

Ahora podemos tomar una seccin de nuestra figura (una lnea) y desplazarla hacia un lado con el fin de darle la dimensin que necesitamos. Si realizamos esto observaremos que aparecer una V o un H dependiendo de la ubicacin, V para lneas verticales y H para las lneas horizontales.

Y nos aparecer unas opciones en la parte izquierda de la pantalla en este nos aparecer unas serie de listas donde solamente utilizaremos una., la cual se sealara en la siguiente figura.

En este lugar colocaremos las dimensiones que necesitamos. Este automticamente cambiara las dimensiones de nuestra figura.Luego de realizar esto definiremos nuestra superficie de de control la cual trabajaremos.Para esto tendremos que realizar lo siguiente, si observamos nuestra figura solo observaremos las lneas y el fondo azul para definir nuestro volumen de control haremos lo siguiente, iremos a modeling, luego seleccionaremos el sketch que hicimos y nos dirigiremos a concept, y le daremos la opcin de Surface From Sketches.

le daremos click derecho a nuestro sketch1 en el cual trabajamos y le daremos la opcin Generate.

Automticamente nos generara una superficie gris en la figura que tenamos. Y de esta forma quedara nuestro dibujo listo para realizar el enmallado, si seleccionamos el dibujo quedara de este color verde como se observa.

En este momento finalizaremos nuestro trabajo en nuestro DESING MODELER(nuestro programa para poder realizar nuestra geometra) para luego ir a nuestro enmallado MESH.

ENMALLADO:Teniendo ya nuestra superficie creada, minimizaremos o cerraremos nuestra geometra y nos dirigiremos a la opcin de enmallado MESH. Automticamente nos aparecer nuestro anterior dibujo en la pantalla.

Seleccionaremos el mismo plano en el que estbamos trabajando como lo realizamos en la geometra recordemos que para identificar que estamos en el programa de enmallado nos aparecer en la parte superior izquierda este smbolo.

Primer paso para realizar el enmallado ser seleccionar el siguiente botn, el cual lo utilizaremos para definir las condiciones de contorno del modelo como lo son (entradas, muros, y salidas de nuestro proyecto), esto nos permitir luego decir por qu parte de nuestro dibujo entrara nuestro fluido y por cual saldr, y que partes de nuestro dibujo se comportara como paredes o muro.

Nos ubicaremos en el contorno de nuestra figura y definiremos lo anteriormente mencionado. La seleccionaremos parte por parte, colocando un nombre caracterstico a cada seccin. Recuerde que cuando le damos click izquierdo esta lnea se colocara de color verde. Luego le daremos click derecho encima de la lnea y seleccionaremos Create Named Seccion

Aparecera un icono en el cual le colocaremos el nombre (recuerden colocar nombres que les sea fcil de relacionar.)

Esto lo haremos con cada seccin, siguiendo el mismo paso para todas.Encontraremos que estas secciones nos aparecern en la parte Izquierda de la pantalla, asi como se muestra en la figura.

Teniendo esto definido, lo siguiente ser el enmallado que necesitaremos, por defecto el programa nos genera uno, el cual se realiza de la siguiente manera.Iremos a el icono donde dice MESH, le daremos click izquierdo y le damos la opcin generate mesh, este nos generara el enmallado por defecto.

Obteniendo la siguiente malla por defecto:

Para colocar un mtodo de enmallado, haremos lo siguiente, iremos a el botn Mesh Control en el que seleccionaremos method,EN ALGUNA PARTE HACER UNA INTRODUCCION EN LA QUE S MENCIONE QUE LA MALLA SE DEBE MEJORAR, Y QUE PARA ESO SE EMPLEAN DIFERENTES MTODOS U OPCIONES DE ENMALLADO

En el cual nos aparecer una serie de opciones que veremos a continuacin

En la opcin de geometry,, seleccionaremos nuestro dibujo y le daremos APPLY,AntesHACERLO MAS CLARO

Despus de darle APPLY

luego en la opcin method, que esta en la opcin de Definition seleccionaremos el tipo de enmallado que deseamos, el cual puede ser por tringulos, tetraedros, cuadrilteros o mixto.

Y luego le raemos click en Update, en el cual nos generara el enmallado, en la opcin de Qadrilateral Dominant, nos aparecer la misma opcin por defecto, en este caso haremos la opcin de tringulos TRIANGLES

Para ver la malla le daremos click de nuevo en MESH. Si observamos la opcin mesh, identificaremos un check de color verde el cual nos indicara que el enmallado se realizo con xito.Para ello le daremos click en mes para poder observar la malla realizada.

NOTA: las ecuaciones que realiza el programa, se realizan en los nodos de las figuras, al tener figuras como tringulos tendr el enmallado mayor nmero de nodos que si utilizamos un enmallado con cuadrados.

Para realizar un refinamiento global (en toda nuestra figura), tendremos que ir a la opcin SIZING y seleccionaremos fine en la seccin Relevance Center como se muestra en la figura, y luego le daremos de nuevo Update y nos generara un enmallado ms fino o con mayor nmero de tringulos.Si observamos en la parte inferior izquierda de la pantalla, observamos una lista, con los detalles de la malla, cada uno de estos detalles

DEFAULTS: en esta se seleccionara el tipo de fsica que trabajar el programa, en nuestro caso es CFD, luego se define el tipo de ecuaciones con las cuales se trabajaran, en este caso sera las de fluent, para solucionar fluidos.Y luego la cantidad de ecuaciones a realizar para encontrar la solucin, en este caso las dejaremos por defecto.

SIZING:

Teniendo en nuestro plano el siguiente enmallado. Utilizaremos SIZING para tener un enmallado ms fino o ms grueso. Esta condicin nos permitir obtener mejores resultados en nuestro modelo, ya que al tener una malla ms fina, se realizara ms clculos que en una de malla gruesa. STATISTICEn esta tabla encontraremos la cantidad de tringulos, la cantidad de nodos que tiene nuestro modelo para resolver con mtodos lineales, esto es importante ya que en esta opcin podemos saber si es necesario mejora o disminuir el nmero de nudos. Para reducir costos computacionales que no sern necesarios. Puesto que si trabajamos con un modelo muy complejo es posible que necesitemos un equipo de mejor calidad y con un procesador mayor, para que sea posible solucionar la gran cantidad de ecuaciones que trabaja el computador en nuestro modelo.

REFINAMIENTO LOCALUn refinamiento es una zona en la cual determinamos que es necesaria tener mayor nmero de nudos (TRIANGULOS) para obtendremos mejor calidad de datos, en otras palabras es la zona con mayor tringulos para q nuestro modelo a la hora del proceso no nos arroje resultados errneos.Para realizar un refinamiento debimos posteriormente realizar un enmallado en nuestro dibujo, luego iremos de nuevo a MESH CONTROL>REFINEMENT como lo observamos en la siguiente figura.

Debemos saber que podemos hacer un refinamiento en todo el modelo, por lneas de contorno, por puntos, superficies. Nosotros en nuestro ejemplo la haremos en una determinada lnea y a su vez en un punto, para ello debemos seleccionar un botn el cual est en la parte superior de la pantalla, all definiremos que deseamos tomar, ya sea un punto una lnea o que sea libre. Observemos.

En este caso vamos a elegir una lnea, le damos click en ella e iremos a refinement seleccionaremos una lnea, en este caso observaremos que la lnea que elijamos se colocara de color verde, luego iremos en apply

En este caso nos generara un refinamiento cerca y sobre la lnea que elegimos, para verla iremos de nuevo a la opcin UPDATE y en MESH y de esta manera veremos el refinamiento.

Ahora haremos un enmallado en un punto definidoRealizaremos los mismos pasos anteriores para realizar un refinado:

En este caso vamos a elegir una lnea, le damos click en ella e iremos a refinement seleccionaremos la opcin de punto en los botones que se encuentran encerrados, en este caso observaremos que la lnea que elijamos se colocara de color verde, luego iremos en apply

En este caso nos generara un refinamiento sobre el punto que elegimos, para verla iremos de nuevo a la opcin UPDATE y en MESH y de esta manera veremos el refinamiento.

Iremos a UPDATE y de nuevo en mesh para observar nuestro refinamiento, si desean que el refinamiento sea mayor. Iremos a refiment y luego aumentaremos el numero de 1 a 3, como se observa en la imagen. De nuevo le daremos UPDATE y observaremos que el enmallado es mallor en el punto, este procedimiento se puede realizar con el de una lina.

Recordemos que estas formas de enmallar nuestro proyecto no son las nicas que se pueden realizar, ustedes pueden explorar otros tipos de enmallado dependiendo del problema que deseen abordar.Para nuestro ejemplo realizamos los dos refinamientos, con respecto a un punto y a una lnea en los lugares que deseamos tener mayor calidad en los datos obtendremos el siguiente enmallado.NOTA: para mayor facilidad se puede hacer varios refinamientos en uno solo, esta opcin es eligiendo las lneas que desean refinar, utilizando el comando CONTROL mientras seleccionamos las lneas en este caso, y luego haremos el mismo procedimiento que se realiz anteriormente con cada seccin que deseamos refinar.

En este proceso finalizaremos nuestro enmallado MESH para pasar a SETUP.SETUP

Iremos a la pagina principal de workbench y seleccionaremos SETUP este nos abrir un nuevo programa.

En este caso seleccionaremos DOUBLE PRECISION, esto con el fin de obtener unos datos de mejor calidad, ya que este caso se realizara dos veces el calculo por cada ecuacin resuelta, y luego daremos OK y automticamente nos abrir y observaremos lo siguiente en nuestra pantalla.

En este podemos observar nuestra geometia con nuestro enmallado.En la parte izquierda de nuestra pantalla observaremos el siguiente men.

GENERALEn este caso nuestra presin que trabajara el programa ser la que definiremos, y la velocidad ser absoluta, como estamos trabajando en un esquema 2D, lo dejaremos en planar.Para trabajar modelos estacionarios o transitorios. Lo seleccionaremos en la opcin de TIME. En este ejemlo se manejara estacionario STEADY.MODELS

En este le daremos click en VISCOSIDAD y seleccionaremos LAMINAR.

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