Modelamiento de interacción de fluidos con OpenFOAM - Caso Submarino

En este tutorial se aplicará el solucionador simpleFoam y la ecuación de turbulencia k-Épsilon para observar el efecto de corrientes sobre objetos sumergidos, para este caso se utilizará un modelo de submarino y se observarán como varía la presión y la velocidad ejercidas sobre el objeto, esto se hará tanto como líneas de corriente y fuerzas sobre el objeto; además se visualizará la importación de objetos.

 

Acerca del solucionador

El solucionador simpleFoam es para flujos incompresibles, flujos turbulentos y está basado en el algoritmo SIMPLE, el cual es un algoritmo para la resolución de la ecuación de Navier-Stokes basado en la presión. En dinámica computacional de fluidos es ampliamente usado, SIMPLE es un acrónimo para “Semi-Implicit-Method for Presure Linked Equations”, siendo la traducción “Método Semi-Implícito para Ecuaciones Relacionadas con Presión”, su historia se remonta a los años 70’s y ha sido usado extensamente en investigaciones para resolver diferentes tipos de problemas de fluidos y transferencia de calor.

El modelo de turbulencia usado es k-Épsilon, siendo este el más popular y el cual necesita de dos valores para expresar completamente el fenómeno, uno es el índice de consistencia de flujo representado por “k” y la constante de disipación de turbulencia “épsilon”.

 

Configuración del modelo

Entre las características del submarino es un modelo de clase Kilo, el submarino se encuentra sumergido completamente en el agua y navega contra la corriente, además es tomado como un solo objeto. Los límites colocados son ajustados debido a que se considera como un flujo laminar y no como uno turbulento, la velocidad aproximada del submarino será de 5 m/s que es correspondiente a aproximadamente la mitad de su máxima velocidad sumergido, para el modelo se considerará como si el submarino estuviera en una caja, con el fin de observar directamente las fuerzas que harán efecto sobre él.

El submarino estará alineado con el eje x, por lo que la punta del submarino es la que recibirá el mayor esfuerzo, y además es asumido que la caída de presión no alcanzará los valores de la presión de vapor por lo que no ocurrirá ningún cambio de estado en la simulación, esta fue la decisión principal por la que se optó por el solucionador simpleFoam.

La cantidad de tiempo colocado en este solucionador puede variar, pero si es que se llega a la convergencia el solucionador para automáticamente la iteración y resulta con un mensaje el cual nos sirve de indicador, esto puede ser modificado aumentando la tolerancia en el archivo “fvSolutions”, en el cual se toman algunas consideraciones adicionales para el solucionador, tales como el valor de “Relaxation factor” que puede ser configurado según el usuario, pero hay que tener en cuenta que un valor alto podría perjudicar en algunos casos la simulación.

 

Postprocesamiento

El post procesamiento realizado con ParaView permite la visualización de los vectores de velocidad y presión ejercida sobre el submarino, observándose que la parte que recibe toda la presión es la parte delantera del submarino y se va distribuyendo las líneas en el resto del cuerpo del submarino, adicionalmente se puede observar que como resultado se tienen valores de línea de flujo estructurados por todo el modelo y como valores máximos de fuerzas se tiene la parte delantera del submarino y las aletas laterales, mientras que las partes traseras no están afectadas por los efectos de las fuerzas de la corriente, también se puede obtener las fuerzas sobre la superficie del submarino, esto sirve para optimizar el diseño.

 

Aplicabilidad del modelo Simple

Los resultados obtenidos tienen que ser tratados con cuidado ya que muchas veces estos modelos tienen que ser calibrados, lo cual es un trabajo más pesado debido a que se tienen que analizar las fuerzas respectivas, y a la vez, estas fuerzas pueden ser interpretadas para mejorar el diseño del submarino y también para saber las características que debería tener el material para resistir las fuerzas ejercidas sobre él. Los costes debido al uso de este software y a los referidos con los estudios son muy importantes para este tipo de simulaciones, los cuales pueden facilitar en gran medida los diseños de este tipo de tecnologías, a esto se le puede añadir muchos más ejemplos que ya vienen siendo implementados con anterioridad, tales como los usados en el mejoramiento del diseño de autos deportivos o también para observar la eficiencia energética respecto a energía eólica en un área respectiva, y sin limitaciones a otros mecanismos móviles, ya que el desempeño de un dispositivo está ligado directamente con el diseño del mismo.

 

Tutorial

 

Datos de entrada

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Posted on May 11, 2018 and filed under Tutorial.