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SEMINARIO DE SIMULACIÓN NUMÉRICA EN SISTEMAS DE PROPULSIÓN J Juan M Manuell Ti Tizón ó P Pulido lid [email protected] 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/ Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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 Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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) Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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. Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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….. Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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 Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión 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 Seminario de Simulación Numérica en Sistemas de Propulsión
