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www.cd-adapco.com
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
– Liz Arndt, CD-adapco USA
– Paco Ezquerra, CD-adapco Nuremberg
– Preguntas o Información en General
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
www.cd-adapco.com
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)
www.cd-adapco.com
Turno de“Preguntas y Respuestas”
www.cd-adapco.com
¿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!
