Prof. Blas Melissari Resumen En el mundo de la ingeniería, el avance de la tecnología de procesamiento de la información ofreció una serie de herramientas de análisis orientados a resolver problemas cuya complejidad no permite el uso de soluciones analíticas. Los problemas de cálculo estructural en reticulados hiperestáticos, las tensiones en una pieza de maquinaria sometida a cambios de temperatura, o los gradientes térmicos en las paredes de un horno, las pérdidas de carga hidráulica en un secadero, son algunos ejemplos del tipo de problemas que aprenderemos a resolver en este curso. El objetivo principal del curso es introducir al ingeniero a un conjunto de herramientas ampliamente usadas en el mundo para analizar sistemas y procesos físicos, entender su dinámica y optimizar su diseño. Los sistemas a los cuales daremos prioridad en este curso serán combinaciones de casos donde existan tensiones y deformaciones, transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento. Modelaremos casos que involucren convección forzada y natural en geometrías complicadas, con propiedades físicas dependientes de la temperatura, en régimen turbulento; además tensiones por dilatación térmica, análisis modal y dinámico (vibraciones), etc. Se usará el software ANSYS para la implementación de problemas complejos en su entorno ANSYS Workbench. Este es el software de simulación de procesos físicos con más reconocimiento a nivel mundial. www.ansys.com/products/workbench/default.asp Para los usuarios de Inventor, su entorno es casi idéntico en cuanto a la facilidad para dibujar y organizar los modelos. www.ansys.com/products/cad-integration/inventor.htm Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 2 Prof. Blas Melissari Contenido: i. Introducción al modelado computacional. Descripción matemática de fenómenos físicos en ingeniería. Concepto de modelo. Ecuaciones gobernantes. Leyes de conservación de flujo, masa y energía. Similitud en las ecuaciones. Métodos computacionales: elementos finitos, diferencias finitas, volúmenes de control. ii. Implementación computacional. Discretización de las ecuaciones. Solución de sistemas lineales. Visualización de resultados. Implementación en MATLAB del sistema numérico. Comparación con ANSYS. Análisis crítico de sistemas e identificación de metodologías de modelación. Condiciones de borde del sistema. Evaluación de resultados y comparación con soluciones analíticas. iii. Análisis estructural. Tensiones y deformaciones, circulo de Mohr, teorías de falla. Materiales frágiles y dúctiles. Aplicaciones prácticas: implementación en software ANSYS casos con solución analítica para validar resultados: viga empotrada, reticulado sencillo; resolución de casos complejos en ANSYS: reticulados hiperestáticos, concentración de tensiones en biela, vibraciones y análisis dinámico de estructuras. iv. Transferencia de calor: Conducción. Ley de Fourier. Ecuaciones gobernantes. Discretización de la ecuación de energía. Implementación de sistema bidimensional de transferencia de calor por conducción usando tres métodos: EXCEL, MATLAB y ANSYS. Validación del código elaborado aplicándolo al caso de una aleta en estado estacionario, usando la eficiencia de la aleta como criterio de comparación. Verificación con soluciones analíticas. Aplicaciones practicas en ANSYS: Diseño de espesor de refractario en horno de gas. Dilataciones y tensiones térmicas en chimenea. v. Transferencia de cantidad de movimiento (dinámica de fluidos). Ecuaciones gobernantes. Condiciones de borde. Implementación en ANSYS de problemas con solución analítica para validar resultados: perdida de presión en codo, expansión abrupta, sistema de distribución fluvial, etc. vi. Transferencia de calor: Convección. Definición y conceptualización. Interacción entre fluido en movimiento y los fenómenos de transferencia de calor y masa. Implementación en ANSYS de sistemas de convección de calor: perdida de calor de cilindro en flujo cruzado. Comparación entre el Nusselt hallado y el de la bibliografía. Implementación de sistemas complejos: Convección natural en salón de conferencias, distribución de temperaturas en fábrica, etc. vii. Optimización (tema adicional). Uso de ANSYS como experimento virtual. Análisis estadístico. Correlación entre variables. Algoritmos de optimización lineal y no lineal. Aplicación al diseño de espesor de refractario en horno. Implementación en ANSYS como laboratorio y en EXCEL como herramienta de análisis y optimización. viii. Sistemas mecánicos (tema adicional). Uso del software Algodoo para simulación de dinámica de máquinas y mecanismos Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 3 Prof. Blas Melissari Bibliografía básica: Libro de texto de transferencia de calor (Incropera, Welty o similar) Libro de texto de mecánica de materiales (Timoshenko, Popov o similar) Manuales de ANSYS Workbench Tutoriales elaborados por el docente. Bibliografía complementaria: Numerical Heat Transfer and Fluid Flow - Patankar Computational Fluid Dynamics for Engineers - Tuncer Cebeci An introduction to Computational Fluid Dynamics - Versteeg Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer - Tannehill Anderson Pletcher Continuum Mechanics and Elements of Elasticity Structural Mechanics - Victor E. Saouma Finite Element Method - Fluid Dynamics - Zienkwicz and Taylor Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (11th Edition) - (Malestrom) Posibles Títulos de Trabajo Especial Tensiones y deformaciones en piezas de equipamientos sometidas a esfuerzos. Tensiones por deformaciones térmicas. Interacción entre fluidos y estructuras (viento en edificio, marea sobre represa) Distribución de temperaturas en calderas (secado de cueros, espesor de refractario) Problemas de solidificación: congelado de alimentos. Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 4 Prof. Blas Melissari Ejemplos de casos que se resuelven con métodos computacionales Distribución de fluidos en componente industrial Tensiones y deformaciones en turbina de gas Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 5 Prof. Blas Melissari Convección forzada en circuito integrado Tensiones y deformaciones en biela Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 6 Prof. Blas Melissari Publicaciones del Profesor del curso Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2005). “Development of a Heat Transfer Dimensionless Correlation for a Wide Range of Prandtl Number Fluids”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Elsevier Publisher, Vol. 48, No 21-22, pp. 4333-4341. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2005). “Measurement of Magnitude and Direction of Velocity in High Temperature Liquid Metals. Part I: Mathematical Modeling”, Metallurgical Transactions B, The Minerals, Metals & Materials Society, TMS, Vol 36B, No 5, pp 691-700. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2005). “Measurement of Magnitude and Direction of Velocity in High Temperature Liquid Metals. Part II: Experimental Results”, Metallurgical Transactions B, The Minerals, Metals & Materials Society, TMS, Vol 36B, No 5, pp 639-649. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2004). “The Identification of Transition Convective Regimes in Liquid Metals Using a Computational approach.” Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, Inderscience Publishers, Vol 4 No 2: pp 69-77 Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2005). “Development of a Sensor to Measure Magnitude and Direction of Velocity in Liquid Aluminum”, Light Metals 2005, edited by Halvor Kvande, The Minerals, Metals & Materials Society, TMS. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2004). “A Computational Approach in Obtaining Heat Transfer Dimensionless Correlations”, Multiphase Phenomena and CFD Modeling and Simulation in Materials Processes, edited by Laurentiu Nastac and Ben Li, The Minerals, Metals & Materials Society, TMS: 179-188 Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2003).“The Application of Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer in Measuring the Magnitude and Direction of Velocity In Liquid Metals”. CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO Minerals, Australia. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2002.) “Measurement of Velocity in Liquid Aluminum using the Sphere Melting Technique: Experimental and Modeling Results.” Proceedings of the Conference of Metallurgists, Canadian Institute of Mining, METSOC, pp. 513-526. Coates, B., Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2002.) “The Effects of Surface Roughness on the Heat Transfer at the Metal-Mould Interface.” Proceedings of the Conference of Metallurgists, Canadian Institute of Mining, METSOC, pp. 487-501. Melissari, B. and Argyropoulos, S.A. (2001.) “Heat Transfer and Fluid Flow around a Melting Addition Under Different Convective Regimes.” Proceedings of the Conference of Metallurgists, Canadian Institute of Mining, METSOC, pp. 103-114. Vedovatti, E., Gonzalez, M. and Melissari, B. (1997.) “Failure Analysis of Boiler Tubes from Thermal Power Plant”. Proceedings of the Equipment Technology Conference (COTEQ97) of the Brazilian Petroleum Institute (IBP), Rio de Janeiro, pp. 101-105. Programa Métodos Computacionales en Ingeniería 7