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INTRODUCCIÓN AL CFD: Ventajas y

beneficios de la simulación.Ed Erb, CD-adapco · Paco Ezquerra, CD-adapco

Viernes, 18 de Marzo de 2011

SEMINARIO: Instrucciónes

• Preguntas y dudas– Se ruega enviar las preguntas mediante el chat (abajo, a

la derecha). Contestaremos a las preguntas tras la

presentación.

• Ajuste de la visualización – Regulación automática de la ventana a pantalla completa:

pulse el menú “share” y luego en la opción “fit auto”.

• La presentación se grabará– Si tuviera problemas técnicos o de audio, el seminario se

podrá descargar en unos días desde nuestra página web.http://www.cd-adapco.com/downloads/webinar_recordings/index.html

Su contacto con CD-adapco

– Ed Erb, CD-adapco Houston

ed.erb@us.cd-adapco.com

– Liz Arndt, CD-adapco USA

liza@us.cd-adapco.com

– Paco Ezquerra, CD-adapco Nuremberg

paco.ezquerra@it.cd-adapco.com

– Preguntas o Información en General

info@us.cd-adapco.com

Programa

• Introducción

– Introducción al CFD – flujo de trabajo.

• En profundidad

– Ecuaciones básicas del CFD, condiciones de contorno,

mallados para el cálculo.

– Información sobre modelización de multifase y de turbulencia.

– Postprocesado.

– Hardware para el CFD.

• ¿Por que CD-adapco y STAR-CCM+?

• Sus preguntas...

Objetivos del seminario on-line de hoy

Proporcionar unas directrices

generales del mundo de la simulación

fluido dinámica y térmica – (CFD).

Introducir la terminología y los

conceptos básicos que les serán útiles

en este entorno de trabajo.

Ayudar en la elección mediante

información técnica especializada de

un software CFD si fuera necesario.

streamlines

malla poliédrica

Condiciones symmetry

ejemplo

Túnel de viento virtual

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IntroducciónEd Erb

¿Qué es el CFD?

CFD = Conocimiento Profundo

• El punto mas importante es que CFD proporciona un

conocimiento profundo del comportamiento de sus diseños.

• Los resultados son iguales a los obtenidos con la creación

de prototipos y la experimentación, pero con una clara

reducción de tiempos y de costos.

• Se obtienen más resultados, logrando una mayor

comprensión de los fenómenos.

• En comparación con un prototipo

fisico logramos:

– Unos resultados más detallados y

completos

– Una mayor comprensión de los

fenómenos

– Y una mayor capacidad de hacer

cambios del diseño y postprocesar

los datos en repetidas ocasiones

¿Para qué un Prototipo Virtual?

Sectores de aplicación

Ejemplo de las consecuencias económicas del CFD

“En tres días hemos reducido la pérdida de carga en un 48% en nuestra unidad de respiración para neonatos. De otra manera esta mejora habría requerido medios experimentales con un plazo de un año y una inversión de al menos 250.000 $. El programa de CD-adapco se ha amortizado tras solo 3 días de uso.”

– testimonio del Ing. Steve Han de Viasys (*)

sobre el uso y los beneficios de la solución

STAR integrada en el sistema CAD de

Solidworks.

(*) Viasys es ahora parte de CareFusion

11

Case Study: ENTEC Beez-Lademann GbRDiseño de una bomba de aceite ultra-eficiente

• Issue: reduce fuel consumption and increase energy-

efficiency.

• Solution: simulate pump under a variety of operating

conditions, including full complex motion of oscillating

pendulum valves

• Outcome: Delivering only the oil required, PSZ pumps are

extremely energy efficient compared to traditional designs.

The PSZ oil pump has been adopted by several major OEMs.

• " Mucha gente en la industria nos dijo que no sería capaz

de simular el movimiento complejo de nuestro PSZ-bomba

utilizando CFD. Uso de STAR –CCM+ se ha demostrado

que están equivocados. El conocimiento que hemos

adquirido a través del uso de simulación CFD nos ha

ayudado a desarrollar mejor las bombas más rápidamente

que nunca antes Dr Ing Thomas Krüger, ENTEC

12

Case Study: WS Atkins and General ElectricCompartimiento de Seguridad para una Turbina

• Issue: Industrial gas turbines are often housed within acoustic

enclosures to protect the turbine and to reduce environmental noise.

In the event of a gas leak, such enclosures may promote a build-up of

gas and thus give rise to an explosion risk.

• Solution: STAR used to identify areas in which gas pockets are likely

to form in the event of a gas release.

• Outcome: STAR used in the design of compartment ventilation for

several hundred GE turbine installations, ensuring safe operation

throughout several industries.

• “Un enfoque combinado de modelos CFD y verificación física ha

demostrado ser altamente eficaz en la prestación de un

conocimiento detallado del flujo dentro del compartimento, y para

orientar el diseño de la ventilación del compartimento y sistemas

de detección para asegurar una base para la seguridad que no

haya fugas de gas.”

Dr Ian Cowan, WS Atkins

13

Case Study: Felt RacingDiseño de Bicicletas

Issue: Felt design and manufacture high-end carbon-fibre bikes for

the triathlon market.

Solution: STAR surface wrapping used to combine CAD model of

bicycle with rider mannequin and quickly evaluate the influence of

multiple design changes on the combined drag coefficient

Outcome: Significant reduction in drag over previous models and

competitors products. Final bicycle design marketed as “world’s most

aerodynamic UCI legal tri-bike”.

“De toda la tecnología CFD hemos intentado, sólo las

herramientas de CD-adapco proporcionan un proceso sólido y

eficiente que nos permite optimizar nuestra estructura de trazado

sin demora a nuestro programa de producción” Tim Lane, Felt Racing

14

Case Study: Germanische Lloyd Impacto de Olas y la Proa de un Barco

• Issue:. Modern ultra-large container ships, which typically rely on

the additional cargo capacity of a large bow flare, are often

exposed to a high risk of slamming due to their relatively high

speed and operational requirements that they be driven through

adverse weather conditions.Slamming loads can cause

deformation of local structural components and induce high

stresses.

• Solution: CD-adapco software used to predict full six-degree-of-

freedom motion of container ships under heavy seas. Forces

predicted by CFD calculations used as boundary conditions for

structural analysis of hull deformation.

• Outcome: Simulation results such as these allowed the ship

designers to understand performance in very rough conditions,

from the before even the first prototype had been built.

15

Case Study: Confidential ClientImpactos de Olas y Plataformas

• Issue: In a twelve-month period the oil fields of the Gulf of Mexico

were subjected to three hurricanes with sustained wind speeds of

140 mph or more. 122 platforms were destroyed, 72 extensively

damaged. Additionally, 24 rigs were set adrift, 10 destroyed and

23 extensively damaged. The combined losses to the oil and gas

industry from Katrina and Rita are estimated to be in excess of

$5billion.

• Solution: STAR simulation of wave impact used to provide force

data for structural-analysis of platform. Simulations performed at

full scale and examined multiple wave impact scenarios.

• Outcome: Simulation results used to design next generation of

hurricane resistant platforms, to break the dependence on historic

design codes and to convince insurers of viability of new designs.

Flujo de Trabajo

• Importación/creación de CAD

• Modelado físico

• Condiciones de contorno

• Malla de cálculo

• Resolución

• Postproceso

Ejemplo en la industria del flujo de trabajo:

Daimler Clase A, aerodinámica externa

Preproceso:

Correcciones de las

superficies

Mallado:

Creación de la

superficie CFD

Mallado:

Creación del

volúmen CFD

Preprocesado y

cálculo en un

cluster

Flujo de Trabajo: Proceso Integrado de Estudiosde Flujo, Temperatura y Estrés

Importación/creaciónde CAD

ModeladoFísico y Condiciones de Contorno

Malla de Cálculo

Resolución y Postproceso

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En profundidad

Paco Ezquerra

Ecuaciones básicas de la dinámica de fluidos

Ecuaciones básicas

• Las siguientes ecuaciones son la base del CFD:

– Conservación de la masa

» continuidad

– Conservación de la cantidad de movimiento.

» F = m·a

– Conservación de la energía

» 1ª ley de la termodinámica

• Estas ecuaciones adoptan la forma de ecuaciones

diferenciales con derivadas parciales, no lineales.

La ecuación básica en español

es un escalar genérico

=1 masa

=u,v,w cantidad de movimiento

= e energía

variación en el

tiempo de en

el volumen V+

flujo

convectivo de

a través de S=

flujo difusivo

de

a través de S

fuentes /

sumideros

de en el

volumen V

+

V

S

Conservación

La ecuación básica, en forma matemática

velocidad de

variación de en el

volumen V

+ flujo convectivo

de a través de S =flujo difusivo de

a través de Sfuente / sumidero

de en el

volumen V

+

término convectivo

término difusivo

Aproximación a los volúmenes finitos

Problema discreto en N variables P(t)

¿Cómo se evalúan los flujos en las superficies Sj ?

Solver numérico

Discretización del espacio en celdas de cálculo (volúmenes finitos) –

en cada celda, el volumen de la integración es tan pequeño que se puede

considerar que las magnitudes en su interior son constantes

P

??

?

? ?

?

2

k

1

Problema continuo en la variable (x,y,z,t)

• vector solución

•A matriz función no lineal de

del esquema diferencial y de la estructura de la malla

•s vector surgente, contiene las condiciones de contorno

Ecuaciones con volúmenes finitos – forma final

∑ P

m

m

m

m

m

m

matriz N x N

Resumen de la sección numérica

•Ecuaciones básicas

•Discretización en volúmenes finitos

P* =APAW

AEANAS P

S

W

N

E

sP

sS

sW

sN

sE

Condiciones de contorno

?

?

??

?

??

?

?

?

?

??

La importancia de las condiciones de contorno en el

flujo de trabajo del CFD

Modelo físico

Condiciones de contorno

Malla de cálculo

Resolución

Exámen de resultados /

modificar

Geometría inicial

Condiciones de contorno / ejemplo elemental

¡muy común en la práctica!

parte sólida

flujo

parte sólidaVelocidad,

Densidad,

Temperatura

Velocidad =0

Temperatura

Velocidad =0

Temperatura

Ejemplo de aplicación para la condición de contorno

de Symmetry

Visión general de la multifase

Continuo, CCM y CFD

continuo sólido

gas

líquido

campo E.M.

CFD

CCM

CFD=Computational Fluid Dynamics

CCM=Computational Continuum Mechanics

Fluido&estructura – interacción “débil”

sólido

gas

líquido

campo E.M.

CFD

CCM1. Uso del sólido para

separar diversas

corrientes fluidas

2. Trasporte de calor

(conducción) en el

sólido

Ejemplo de cálculo de dominios múltiples.

3 dominios: gas / sólido / gas

fluido

propiedad=aire

fluido

propiedad=aire

solido

propriedad=ladrillo

Fluido&estructura – interacción “fuerte”

el mismo solver, la misma malla de cálculo

sólido

gas

líquido

campo E.M.CCM

Interacción

fluido/estructura

• el fluido ejerce

una presión

(fuerza) sobre el

sólido

• El sólido se

deforma

Visión general del CFD avanzado: Multifase

Malla de cálculo

Dominio de control

Dominio de control:

•Extracción de la parte fluida

•Malla de cálculo (meshing)

CAD – ejemplo industrial y

solución obtenida

Superficie inicial Superficie envuelta

Tipos de mallado automático para el cálculo

tetraedros

celdas

trimadas

(~ hexaedros)

poliedros

Que mallado se prefiere

motivaciones prácticas

• Mallas manuales: – cuando la variable tiempo no es importante o

si tiene a su disposición recursos de trabajo prácticamente infinitos

• Mallas tetraédricas: – cuando es necesario trabajar con

automatismos avanzados, pero no se está al corriente de la existencia de los poliedros

• Mallas poliédricas: – Cuando es necesario trabajar con

automatismos avanzados

• Mallas trimadas: – Cuando es necesario trabajar con

automatismos avanzados

Uso de los poliedros

Comparación entre el mallado tetraédrico y el poliédrico

en términos de convergencia y uso de la CPU

Visión general de la turbulencia

Leonardo, 1510:

“Se puede observar en el movimiento de la superficie del agua, mediante el uso de unos cabellos, que hay dos movimientos, uno que atiende al peso del vello y otro que está relacionado con el tiempo; por lo que en el agua en movimiento vertiginoso, una parte responde al impulso del curso principal y otra espera a la incidencia de movimiento y se refleja”

u(t) = U + u΄(t)

Quién hace qué en el 2011

LES

R A N S

• Modelos RANS k- : estandar/robustos• Modelos LES, DNS, RSM: especialistas

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Postprocessing

Tratamiento de los datos

(postprocesado/generación de informes)

tratamiento

de datos

visualizaciones

informes

numéricos

ingenieriles

visualización de campos

líneas de flujo

isosuperficies

Ejemplos de postprocesado en sección:

velocidad

Streamlines – líneas de corriente

Streamlines – líneas de corriente

STAR-CCM+ : presentación de informes al detalle

Informes: volúmenes, superficies, puntos

Valores medios sobre

superficies o volúmenes

Transferencia de calor

Informes

Convergencia de los residuosVelocidad en un punto

Monitorización de resistencia y aerodinámica

Cp en la

línea central

Generación automática de informes “del CAD al

Powerpoint”

¿Cual es el hardware óptimo para el CFD?

¿Cuántos y qué recursos

requiere un análisis CFD?

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30

CP

U T

ime

(h

ora

s)

RAM (Mb)

uso

de l

a C

PU

(GB)

Como funciona el cálculo en paralelo

•Componentes de hardware

– Interconexión entre las CPU

– Velocidad de cada CPU

individual

– Otros factores (RAM, ...)

•Componentes de software

– Software de partición de la

malla de cálculo

– Software de comunicación

Concepto de partición del dominio

Ejemplo público de la escalabilidad del dominio

celdas Malla iteraciones solver Solución

21.241.271 híbrida 50 CGS estacionaria

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Para terminar...

• Empresa independiente mas grande del mundo que ofrece soluciones de

simulación flujo/termica en 3D.

– software, consultoria, mentoria, capacitación

– STAR-CCM+ : la herramienta mas avanzada del mundo para

simulaciones CFD en 3D

• Desde 1980 como proveedor de CAE en varias industrias: petrolera,

nuclear, quimica, automotriz, aerospacio & defensa, y mas…

• Mas que US$115 million facturados, 23%+ crecimiento anual

• 480+ empleados en 25 oficinas

– 90% postgraduate degrees; 40% PhDs

• 8,000 usuarios en mas de 3,000 empresas

Dirigiendo la Tecnologia y Formando el

Mercado de Simulacion y CFD para Hoy y

el Futuro!

CD-adapco: The Company Behind the Solutions

Algunos de nuestros clientes

Resultados de la encuesta sobre los requisitos

básicos de CFD en la industria

• Flujo de trabajo– proceso integrado desde el CAD hasta

las visualizaciones

– automatización del proceso de trabajo

– calidad de los resultados: capacidad de crear automáticamente, pero sin perder calidad, la malla para el cálculo

• Hardware– obtener el máximo de su presupuesto de

hardware

• Soporte– soporte a los clientes

– consultoría de ingeniería

• Detalles– Buscar el mejor método de acoplamiento

fluido-estructura

– Física avanzada: modelos físicos para ampliar el rango de posibles aplicaciones de CFD

La Importancia de la Herramiento Optima

• Para ser effectivo, simulaciones deben ser:

– Suficiente Rapido a dar respuestas a dentro

de sus limitaciones de tiempo

– Suficiente Preciso a proporcionar respuestas

que les ayuda mejorar sus diseños y hacer

decisiones mejores.

Validation

• Comparison of wave profile along hull; computed vs. experimental data

Flujo de Trabajo: Proceso Integrado de Estudiosde Flujo, Temperatura y Estrés

Importación/creaciónde CAD

ModeladoFísico y Condiciones de Contorno

Malla de Cálculo

Resolución y Postproceso

¿Cómo utilizar el software?

• CD-adapco tiene dos paquetes revolucionarios para el

mundo del CAE:

• LICENCIAS ANUALES “planas” sin tener en cuenta el

número de procesadores utilizados

• PAQUETES HORARIOS (500, 1.000,..., 40.000 h) sin

contar el número de procesadores utilizados

– utilizando su propio cluster

– alquilando hardware de terceros

– o utilizando hardware “en remoto” de terceros

La última frontera: "del CAD al PowerPoint"

(automatización del proceso)

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Turno de“Preguntas y Respuestas”

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¿Cómo seguir?

Ed Erb

Cursoswww.cd-adapco.com/training

– Manejo de STAR-CCM+

– Introduction to CFD

– Aero-Acoustics

– Virtual Tow Tank

– Electronics Thermal Management

– JAVA™ Scripting - Process Automation

– STAR-CCM+ Wizard Creation

– Engine Compartment Thermal Modeling

– Applied Computational Combustion Analysis

– Effective Heat Transfer Modeling

– Simulation of Rigid Body Motion

– Virtual Thermal Reliability Lab

– Internal Combustion Engine Modeling

Próximos eventos

• Grabación de este seminario:

– Estará disponible en nuestra web en unos días

• Conferencia Americana de usuarios STAR 2011:

– 28-29 Junio 2011

– Chicago, IL

– 29 Junio: curso para los inscritos a la conferencia ($99)

• Curso de iniciación de STAR-CCM+:

– 4-6 Abril 2011

– En las oficinas de CD-adapco Houston

– Necesaria inscripción previa – Plazas limitadas

¡Hasta pronto!