La mecánica de fluidos
La mecánica de fluidos es la rama de la física que se encarga de estudiar el movimiento de los fluidos, su interacción con fuerzas y objetos, empleando para ello la herramienta universal, las matemáticas.
El movimiento de los fluidos está gobernado por las que se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes --aunque inicialmente este nombre era únicamente atribuido a las ecuaciones de conservación de momento al final se ha acabado por aplicar al conjunto. Contraviniendo una de las normas no escritas del blog no me resisto a reproducirlas aquí.
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| Ecuaciones de Navier-Stokes en su forma integral |
La resolución de este sistema de ecuaciones es altamente compleja, puesto que se encuentran fuertemente acopladas entre sí. De hecho uno de los problemas del milenio hace referencia a la resolución de dicho sistema asumiendo una serie de hipótesis (aquí su enunciado). Puesto que la solución analítica únicamente puede plantearse en problemas muy sencillos en los que se introducen un gran número de simplificaciones, la estrategia lógica para estudiar el comportamiento de los fluidos en un gran número de situaciones ha sido recurrir a su resolución mediante métodos o simulaciones numéricas, y es así como llegamos al siguiente apartado.
Códigos CFD
Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de las herramientas más comunes para estudiar el comportamiento de los fluidos en todo tipo de situaciones. La resolución de las ecuaciones mediante métodos numéricos se fundamenta en dos procedimientos: discretización del espacio (las ecuaciones se resuelven solo sobre ciertos puntos y no sobre un dominio continuo) y discretización de las ecuaciones (se convierten en operaciones más sencillas capaces de ser resueltas por el ordenador). La complejidad del problema, por la naturaleza caótica del movimiento fluido, hace que, incluso con los más potentes ordenadores existentes hoy en día, únicamente se puedan alcanzar soluciones aproximadas en la mayor parte de los casos. Por ello siempre resulta altamente recomendable contrastar las soluciones de los modelos con pruebas experimentales.
Ejemplo de simulación CFD, cilindro en corriente a diferentes números de Reynolds
Aun así las simulaciones de fluidos mediante códigos CFD tienen un altísimo interés en multitud de aplicaciones industriales o de investigación, ya que resultan comparativamente más económicas y rápidas que los ensayos experimentales en túneles de viento y además pueden repetirse en diferentes ubicaciones con gran facilidad. Es por ello que muchas empresas han creado departamentos específicos para la realización de simulaciones CFD, e igualmente diversas empresas se dedican en exclusiva a ofrecer servicios de simulación a otras que carecen de capacidades propias.
Ahora
bien, si la simulación de fluidos tiene tanta relevancia en la
industria -tendencia que seguirá al alza a medida que se incrementen sus
prestaciones- ¿Qué pasa mientras tanto en la universidad? Es habitual que en los planes
de estudios de titulaciones con contenidos específicos en mecánica de
fluidos, las simulaciones con técnicas CFD constituyan en el mejor de
los casos la parte práctica de alguna asignatura. Esta situación es una
muestra del típico retraso que suele existir entre las necesidades de la
industria y los conocimientos aportados en la universidad. Es cierto
que la duración de los estudios es limitada, y que siempre haría falta
más tiempo para poder ver todas las cosas de interés, sin embargo parece que la
enseñanza de técnicas CFD está claramente infravalorada en las titulaciones
universitarias.
OpenFOAM
Son muchos los códigos y programas que se han desarrollado para realizar simulaciones CFD y según su naturaleza comercial podrían clasificarse en dos grupos: códigos propietarios, que requieren el pago correspondiente por las licencias de uso; y códigos libres o abiertos que se distribuyen gratuitamente.
Mientras los códigos comerciales ofrecen una interfaz y un entorno de usuario mucho más sencillo -que permite un aprendizaje más rápido- los códigos abiertos permiten acceder al código implementado para resolver las ecuaciones y modificarlo libremente, lo cual los convierte en mucho más flexibles para ser optimizados y adaptados al problema objeto de estudio. El más importante y más ampliamente extendido de todos los códigos CFD abiertos es OpenFOAM. Aunque empezó siendo una opción minoritaria enfocada únicamente al ahorro de costes, su peso ha crecido de manera continuada y se ha popularizado no solo entre los investigadores, sino que también está haciéndose su hueco en la industria. No es un programa sencillo, y el proceso de aprendizaje puede ser muy duro si se realiza a título personal, la propia compañía ofrece cursos de iniciación alrededor del mundo (ver aquí) y algunas instituciones, por suerte la Universidad de León es una de ellas, ofrecen cursos de iniciación (ver aquí).
