Aplicaciones Computacionales en Ingeniería

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
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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
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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.
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Ejemplos de casos que se resuelven con métodos computacionales
Distribución de fluidos en componente industrial
Tensiones y deformaciones en turbina de gas
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Convección forzada en circuito integrado
Tensiones y deformaciones en biela
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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.
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