Dinámica de Fluidos Computacional

ANEXO II
Guía de Aprendizaje
Información al estudiante
Datos Descriptivos
ASIGNATURA: DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
MATERIA:
CRÉDITOS EUROPEOS: 3.0
CARÁCTER: Obligatoria
TITULACIÓN: Grado en Ingeniería Aeroespacial
CURSO/SEMESTRE 4º - S7
ESPECIALIDAD: Ciencia y Tecnología Aeroespacial
CURSO ACADÉMICO
PERIODO IMPARTICION
2014-2015
Septiembre- Enero
Sólo castellano
IDIOMA IMPARTICIÓN
Primer semestre.
CURSO 2014-15
x
Febrero - Junio
X
Sólo inglés
Ambos
DEPARTAMENTO:
MECÁNICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL
PROFESORADO
Correo
NOMBRE Y APELLIDO (C = Coordinador)
DESPACHO
electrónico
(@upm.es)
Vassilis Theofilis (C)
Fluidos
Vassilios.Theofilis
Miguel Hermanns
Fluidos
Miguel.Hermanns
Leo González Gutiérrez
ETSI Navales
Leo.Gonzalez
Javier Jiménez Sendín
Fluidos
[email protected]
Francisco Gómez Carrasco
Fluidos
Vassilios.theofilis
Juan Ángel Tendero Ventanas
Fluidos
Vassilios.theofilis
José Miguel Pérez Pérez
Fluidos
Vassilios.theofilis
Soledad Le Clainche Martínez
Fluidos
Vassilios.theofilis
Adrián Lozano Durán
Fluidos
Vassilios.theofilis
Juan Sillero Sepúlveda
Fluidos
Vassilios.theofilis
Pedro Paredes González
Fluidos
Vassilios.theofilis
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS PARA PODER SEGUIR CON
NORMALIDAD LA ASIGNATURA
ASIGNATURAS
SUPERADAS
Las legalmente establecidas para el acceso al tercer curso, incluyendo
Matemáticas I y II, Informática y Mecánica de Fluidos – I
OTROS
RESULTADOS DE
APRENDIZAJE
NECESARIOS
Primer semestre.
CURSO 2014-15
Lenguaje de programación de alto nivel o Matlab
Objetivos de Aprendizaje
COMPETENCIAS Y NIVEL ASIGNADAS A LA ASIGNATURA
Código
COMPETENCIA
NIVEL
Objetivos Generales: La asignatura de CFD se debe fundamentar en
principios adquiridos en las asignaturas de Matemáticas I y II,
Informática, Mecánica de Fluidos y Mecánica de Fluidos II. Se trata
de conocer la particularización de métodos numéricos para la
OA.1
resolución de ecuaciones en derivadas parciales a Mecánica de
Fluidos con el fin de capacitar el estudiante tanto para generar
soluciones pertinentes a fluidos a distintos regímenes de
velocidad,
como
comprender
la
validez
e
interpretar
correctamente resultados adquiridos por códigos comerciales de
aplicación industrial.
Competencias Genéricas: El objetivo general es que los estudiantes
comprendan la distinta naturaleza matemática de las Ecuaciones
en Derivadas Parciales (EDPs) que rigen movimiento fluido en
distintos regímenes de velocidad (incompresible, transónico,
supersónico, hipersónico), así como las metodologías elementales
que pueden emplearse para solucionar problemas de CFD,
adquiriendo las competencias suficientes tanto para resolver ellos
mismos
OA.2
ecuaciones
sencillas,
utilizando
un
lenguaje
de
programación, como para interpretar correctamente soluciones
proporcionadas por software empleado en la industria, como se
espera que lo encuentren en su futuro profesional. Así mismo se
trata de formar el estudiante en el conocimiento de los
fundamentos de solución de EDPs por métodos numéricos de
modo que emplea el adecuado a cada uno de los diversos
problemas que se le pueden presentar en su futuro empleo. Un
interés especial está enfocado en que el estudiante comprenda el
sentido físico del problema que se plantea y qué subyace bajo el
fundamento matemático que lo sustenta.
Primer semestre.
CURSO 2014-15
Competencias Específicas:
OA. 3.1 Desarrollar algoritmos para la resolución de ecuaciones
modelo de cada uno de los tres problemas tipo que se pueden
presentar en Mecánica de Fluidos Computacional: hiperbólico,
parabólico y elíptico.
OA. 3.2 Obtener mediante programación durante el tiempo EPD
soluciones en cada uno de los problemas tipo. Elaborar informes
científicos para presentar dichos resultados, de manera que el
alumno aprenda a observar, comprender, describir y analizar los
OA.3
fenómenos descritos por las soluciones numéricas obtenidas.
OA. 3.2 Aprender a manejar el software libre de Mecánica
Computacional OpenFOAM (OF), y su particularización en la
solución de problemas de Mecánica de Fluidos Computacional.
Aprender construir mallas sencillas, obtener soluciones mediante
empleo del OF, visualizarlas mediante ParaView, extraer datos de
la solución obtenida mediante herramientas proporcionadas por
OF u otras integradas en ParaView. Resolver (en tiempo EPD) un
problema incompresible y uno en transónico. Analizar y elaborar
informes de los resultados.
Código
RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA
Planificar y organizar el tiempo de aprendizaje en general y el tiempo EPD
RA1.
en particular, considerando tanto el trabajo individual como el trabajo en
grupo
RA2.
RA3.
RA4.
RA5.
Comprender las capacidades y las limitaciones del empleo de CFD para la
resolución de problemas fluidodinámicos
Conocer los diferentes tipos de ecuación, hiperbólico, parabólico y elíptico,
que rigen el comportamiento de fluido según el número de Mach
Conocer a nivel elemental la arquitectura de ordenadores utilizados para la
resolución numérica de problemas fluidodinámicos
Manejar con soltura esquemas elementales de discretización temporal de
las ecuaciones fluidas
Primer semestre.
CURSO 2014-15
RA6.
Manejar con soltura esquemas elementales de discretización espacial de
las ecuaciones fluidas
Manejar con soltura el empleo de esquemas de discretización temporal y
RA7.
espacial para la resolución de particularizaciones de las ecuaciones de
dinámica de fluidos en una dimensión espacial, para los tres modelos de
ecuación: hiperbólica, parabólica y elíptica
RA8.
Manejar con soltura el software libre OpenFOAM y en particular solvers
apropiados para flujo incompresible o transónico.
Analizar, interpretar y presentar razonadamente los resultados obtenidos,
RA9.
tanto en programas escritos por el alumno como los proporcionados por
OpenFOAM.
Elaborar informes a partir de los resultados de los problemas resueltos,
RA10.
incluyendo bibliografía relevante de la cual se extraen datos de
comparación con los propios resultados
Primer semestre.
CURSO 2014-15
Contenidos y Actividades de Aprendizaje
CONTENIDOS ESPECÍFICOS (TEMARIO)
Indicadores
TEMA / CAPITULO
1.Introducción
APARTADO
Relacionados
1.1 Breve historia de CFD
1.2 Campos de aplicación: éxitos y limitaciones
1.3 Perspectivas futuras
2.1 Representación aritmética:
2. Trabajando con el
ordenador
precisión sencilla y doble
2.2 Arquitectura del ordenador: Procesador y su
potencia, memoria compartida y distribuida,
disco duro, redes
2.3 Introducción a lenguajes de programación
3.1 Revisión matemática:
Introducción a Ecuaciones en Derivadas Parciales.
Clasificación de EDPs: Hiperbólicas, Parabólicas,
3. Las Ecuaciones
de la Mecánica de
Elípticas
3.2
Las
ecuaciones
de
Navier-Stokes
compresibles en coordenadas cartesianas; en
Fluidos
coordenadas curvilíneas ortogonales
3.3 Casos límite de las ecuaciones generales:
Flujo incompresible, flujo potencial, la capa límite
3.4 Flujo laminar y turbulento,
Modelización de la Turbulencia
4. DIscretización
4.1 Esquemas explícitos, implícitos y multipaso
temporal
4.2 Estabilidad de esquemas de discretización
5.1 Mallas regulares, no-estructuradas, híbridas
5. Discretización
5.2 Mallas regulares:
transformación de coordenada
espacial
5.3 Esquemas de diferencias finitas, volúmenes
finitos y elementos finitos
5.4 Método de paneles
6. Aplicaciones
6.1
Ecuaciones
hiperbólicas,
elípticas
6.2 La ecuación de Burgers viscosa
Primer semestre.
CURSO 2014-15
parabólicas
y
7. Introducción a
OpenFoam
7.1 Herramientas de mallado
7.2 Solvers incompresibles y compresibles
7.3 Visualización y utilidades de postproceso
7.4 Ejemplos de flujo incompresible y compresible
Primer semestre.
CURSO 2014-15
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES ORGANIZATIVAS
UTILIZADAS Y METODOS DE ENSEÑANZA EMPLEADOS
En las clases de exposición teórica el profesor
proporcionará
una
visión
general
del
tema
correspondiente, haciendo hincapié en los conceptos
más importantes y en los desarrollos que permitan a los
estudiantes un mejor conocimiento de los temas y las
CLASES DE TEORIA
técnicas del estudio, así como de las conclusiones
fundamentales. Se utilizarán los materiales didácticos
apropiados para cada modulo, tales como soporte de
pizarra, transparencias, medios audiovisuales, videos,
ordenador, etc. Se hará mención especial de las fuentes
bibliográficas y los recursos web en las cuales el alumno
podrá profundizar a los temas expuestos
En
las
clases
de
resolución
de
problemas
se
propondrán, una vez explicada y conocida la parte
teórica, una serie de problemas afines a los resueltos en
clase que permitan reforzar y aplicar los conceptos
CLASES
adquiridos a la resolución numérica de problemas
PROBLEMAS
particulares de Mecánica de Fluidos, con el fin que el
estudiante
aprenda
fundamentales
que
a
le
identificar
capaciten
los
aspectos
abordar
el
planteamiento y la resolución de problemas similares
durante su tiempo EPD
Primer semestre.
CURSO 2014-15
Las clases prácticas representan un complemento de
las clases teóricas y de problemas, ya que a través de
ellas se fomenta la actitud positiva del estudiante el cual
se familiariza con las herramientas profesionales de
cálculo y visualización y la adquisición e interpretación
de resultados para obtener las conclusiones adecuadas.
PRACTICAS
Las prácticas se realizarán por grupos de alumnos
promoviendo el trabajo en equipo y teniendo durante la
sesión de las prácticas al profesor que velará tanto por
la ayuda que se precisen para realizar los cálculos como
para la extracción y visualización de los resultados. Una
vez concluido el trabajo, los alumnos deberán elaborar
un informe que acoge las soluciones obtenidas y las
conclusiones que se pueden extraer de las mismas.
Los trabajos prácticos unipersonales consistirán en la
TRABAJOS
AUTONOMOS
obtención de resultados en problemas concretos que se
propondrán al alumno, el cual deberá realizar el trabajo
bajo la supervisión del profesor y presentar un informe
completo de la actividad realizada.
TRABAJOS EN
GRUPO
Primer semestre.
CURSO 2014-15
Según lo descrito anteriormente bajo el epígrafe de
Practicas.
Las actividades de tutorías podrán ser realizadas tanto
en forma individualizada como en forma grupal. En las
tutorías individualizadas el profesor resolverá las dudas
concretas y puntuales que planteen los alumnos sobre
los temas expuestos en las distintas clases a lo largo de
TUTORÍAS
su aprendizaje personal, en tanto que en las tutorías
grupales el profesor dará respuesta a las dudas de
carácter general que los alumnos expresen de forma
mayoritaria en relación con los temas expuestos,
logrando de esta manera una participación proactiva de
los alumnos.
Primer semestre.
CURSO 2014-15
RECURSOS DIDÁCTICOS
J.
C.
Tannehill,
D.
A.
Anderson,
R.
H.
Pletcher
“Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer”,
Taylor & Francis
J. D. Anderson Jr. “Computational Fluid Dynamics”,
BIBLIOGRAFÍA
McGraw Hill
R. J. Leveque “Finite Volume Methods for Hyperbolic
Problems”, Cambridge Texts in Applied Mathematics
P. Moin “Fundamentals of Numerical Analysis”, Cambridge
University Press
www.cfd-online.com
www.openfoam.com
RECURSOS WEB
openfoamwiki.net
www.paraview.org
www.spec.org
Aula PC
EQUIPAMIENTO
OpenFoam & ParaView software preinstalado
Primer semestre.
CURSO 2014-15