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SEMINARIO DE SIMULACIÓN
NUMÉRICA EN SISTEMAS DE
PROPULSIÓN
J
Juan
M
Manuell Ti
Tizón
ó P
Pulido
lid
jmtizon@aero.upm.es
http://webserver.dmt.upm.es/zope/DMT/Members/jmtizon/libre-eleccion-1
Motores Cohete: Capítulo 2
P ibl
Posibles escenarios
i
DEFINICIÓN UTILIDAD
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.
E
Es una herramienta cada día más útil (prácticamente imprescindible) en las h
i t
d dí
á útil ( á ti
t i
i dibl ) l
tareas de análisis y diseño de multitud de sistemas en Ingeniería y en particular para la Ingeniería Aeronáutica.
En los Sistemas de Propulsión es particularmente util
En los Sistemas de Propulsión es particularmente util.
Complementaria a la experimentación, profundiza mas allá de las técnicas analíticas, ahorrando tiempo y dinero en los ciclos de diseño de los productos.
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
EXPERIMENTACIÓN
EXPERIMENTACIÓN vs. SIMULACIÓN
SIMULACIÓN
CFD ofrece una ventaja inestimable en problemas en los que es difícil o
imposible el estudio experimental utilizando técnicas tradicionales
EXPERIMENTACION
Descripción cuantitativa del flujo
•
•
•
•
Una cantidad en cada instante
Para un limitado número de puntos de medida
en cada instante
En un caso de operación determinado
Para un diseño en particular
Fuentes de error: Incertidumbres
experimentales e interferencia de las
sondas
SIMULACIÓN
Predicción cuantitativa del flujo
•
•
Todas las cantidades en todos los instantes
Con alta resolución espacial y temporal
•
•
En cualquier caso de operación
Para un cualquier diseño
Fuentes de error: Modelado,
Modelado
discretizaciÓn, convergencia,
implementación.
OBJETIVOS DEL CURSO
OBJETIVOS DEL CURSO
• Conocer el alcance (estado del arte) del cálculo numérico en las tareas de análisis y diseño de sistemas de propulsión.
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 o oce y ap ca os é odos ab ua es de e a uac ó y a dac ó de
resultados.
• Entender y familiarizarse con las estructuras fluidas (capas límites, ondas de choque torbellinos ) que aparecen en los componentes de los sistemas de
choque, torbellinos, …) que aparecen en los componentes de los sistemas de propulsión.
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
CONTENIDOS
Parte I: Conceptos básicos (2h)
I.1 Introducción
I 2 Ecuaciones de conservación
I.2 Ecuaciones de conservación.
I.3 Condiciones de contorno
ParteII: Algoritmos numéricos (3h)
II.1 Técnicas de discretización
II
1 Técnicas de discretización
II.2 Tipos y generación de mallas
II.3 Discretización temporal y espacial
II.4 Aceleración de convergencia
Parte IV: Tutoriales (16h)
IV.1 Generación de mallas
IV 2 Flujos internos
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
1 Introducción al tratamiento de la turbulencia
V.2 Combustión: Problemática básica
V.3 Problemas con flujos heterogéneos
Parte VI: Proyecto Final
Parte VI: Proyecto Final
Parte III: Aspectos prácticos (5h)
III.1 Técnicas de modelización
III.2 Inicialización y desarrollo del cálculo
III 3 C it i d
III.3 Criterios de convergencia
i
III.4 Visualización y análisis de resultados
III.5 Validación y calidad de los resultados
III.6 Mejora de las soluciones. Adaptación
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
EVALUACIÓN
• ASISTENCIA
• EJERCICIOS
– Entrega de los ejercicios de clase y sus extensiones en los ficheros de trabajo propios del solver (no informes).
(
)
• PROYECTO FINAL
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
PROYECTO FINAL
PROYECTO FINAL
•Formulación
F
l ió d
de consideraciones
id
i
bá
básicas
i
•Flujo compresible/incompresible (número de Mach)
•Flujo viscoso/no viscoso (número de Reynolds)
•Otros
Ot
•Definición del dominio físico y computacional
•Definición geométrica
•Generación de la malla
•Especificación de condiciones de contorno
•Selección de la estrategia de solución
•Selección del esquema de discretización espacial/temporal
•Selección de monitores
•Análisis de resultados
•Evaluar
Evaluar el nivel de convergencia
•Independencia a la malla de los resultados
•Presentación de resultados (pos-proceso)
D
Desarrollo de las clases
ll d l
l
• Presentación teórica
– Aspectos formales sobre el modelo físico
p
– 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
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
Bibli
Bibliografía
fí
Publicaciones AGARD
AR-355 ((1998),
), CFD Validation for Propulsion
p
System
y
Components
p
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)
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
LIBROS
Chung, T.
Chung
T J.
J (2002) Computational Fluid Dynamics,
Dynamics Ed.
Ed Cambridge Unv.
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
Cuvelier, A. Segal and A. A. van Steenhoven, Finite Element Methods and Navier-Stokes Equations. Kluwer, 1986.
Turek S.,
Turek,
S Efficient Solvers for Incompressible Flow Problems: An Algorithmic and Computational Approach
Approach, LNCSE 6
6, Springer
Springer, 1999
1999.
Lohner, R., Applied CFD Techniques: An Introduction Based on Finite Element Methods. John Wiley & Sons, 2001.
……..y otros muchos……
http://www cfdreview com/
http://www.cfdreview.com/
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LES (2000’s)
RANS (1990’s)
EULER (1980’s)
POTENCIAL NO-LINEAL (1970’s)
POTENCIAL LINEAL (1960’s)
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
Cál l d
Cálculo de estabilidad del avión
t bilid d d l ió
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
DESARROLLO DE PROGRAMAS
DESARROLLO DE PROGRAMAS
EUSOL2D
TRIMPACK
C
– Mallas no‐estructuradas
– AFM, Steiner, Delaunay
– Adaptación
– Volúmenes finitos
– Upwinding
U i di / Li
Limiters
it
– Transporte de especies
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TRIMPACK & EUSOL2D
TRIMPACK & EUSOL2D
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
CFD C
CFD Comercial i l (www.cfd‐online.com)
FLUENT (www.fluent.com)
CFX (ANSYS)
(www-waterloo.ansys.com/cfx/products/cfx-5)
NUMECA (www.numeca.de y www.numiberica.com)
START-CD (www.cd-adapco.com)
KIVA y FIRE
FLOW3D (www.solintec.com)
PHOENIX/CHAM (www.cham.co.uk)
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P
Procedimiento Básico
di i t Bá i
•
Definición del problema.(pre‐
proceso)
–
–
–
•
Ejecución del “solver”.
j
ió d l “ l ”
–
–
–
•
Definición de objetivos.
Identificación de la geometría relevante.
Creación de la malla.
Definición de los modelos.
Inicialización de la solución.
Ejecución y monitorización.
Análisis de los resultados.(post‐proceso)
–
–
–
–
Examen crítico de los resultados.
Examen
crítico de los resultados.
Validación de resultados.
Revisión de todo el proceso.
Elaboración de un informe.
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T Pl t C
TecPlot: Características
t í ti
(www.tecplot.com/products/cfd/cfd_features.htm#04)
• Función de calculo
• Análisis de errores
Análisis de errores
• Líneas de corriente y trazadores
• Detección de estructuras fluidas
• Cálculo de integrales
• Automatización (macros)
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
ICEM CFD C
ICEM CFD: Características
t í ti
(www‐berkeley.ansys.com/overview/index.html)
•
•
•
•
•
•
Multi‐block structured grids Unstructured tetrahedral and triangular surface grids
triangular surface grids Unstructured quad grids Body‐fitted Cartesian grids Refined H grids
Refined H‐grids Etc…..
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FLUENT E t t
FLUENT: Estructura
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
GAMBIT C
GAMBIT: Características
t í ti
Sistema integrado:
•Capacidades CAD
•Generación automática de la malla
•Análisis de calidad de la malla
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
FLUENT C
FLUENT: Características
t í ti
GENERALES
•Método de los Volúmenes Finitos
•Solvers: Basado en p
presión/densidad ((antiguos
g
Segregated
g g
/ Coupled)
p )
•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
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FLUENT C
FLUENT: Características
t í ti
ESPECIFICOS (selección)
( l
ió )
•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,
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
Ej
Ejemplos: Aerodinámica externa
l A di á i
t
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
Ej
Ejemplos: Propulsión
l P
l ió
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
FLUENT Ej
FLUENT Ejemplos
l
Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
FLUENT Ej
FLUENT Ejemplos
l
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