Introduccion

La simulación acoplada es una característica clave en COMSOL Multiphysics que permite a los ingenieros modelar interacciones complejas entre múltiples fenómenos físicos. En este artículo, exploraremos las aplicaciones prácticas de la simulación acoplada en diversas industrias y cómo COMSOL simplifica la resolución de problemas multidisciplinarios.

Simulación acoplada

La simulación acoplada implica la resolución simultánea de múltiples fenómenos físicos interrelacionados en un sistema o proceso. En el contexto de software de simulación como COMSOL Multiphysics, permite modelar fenómenos como transferencia de calor, mecáncia de fluidos y electromagnetismo de manera conjunta. Esto es esencial cuando los diferentes aspectos físicos de un sistema están estrechamente vinculados y afectan mutuamente, permitiendo así una representación más precisa y completa de situaciones del mundo real.

Aplicaciones

La simulación acoplada en COMSOL Multiphysics ofrece una potente capacidad para modelar la interacción simultánea de diversos fenómenos físicos en sistemas complejos. Desde el diseño mecánico con transferencia de calor hasta la investigación de materiales y la bioingeniería, esta funcionalidad permite abordar de manera integrada desafíos multidisciplinarios. Al acoplar fenómenos como electromagnetismo y estructuras mecánicas, COMSOL posibilita la simulación realista de dispositivos electrónicos, mientra que, en la eficiencia energética, la consideración conjunta de aspectos térmicos, mecánicos y fluidodinámicos lleva a soluciones más eficientes. Este enfoque integral proporciona una visión más completa y precisa de la realidad, impulsando avances de campos ingenieriles y científicos. A continuación mostramos 2 ejemplos representativos. En un primer caso (el busbar) se utilizan interfaces de los módulos de AC/DC, Heat Transfer, CFD y Structural Mechanics. En el segundo caso (dielectroforesis) se utilizan interfaces de los módulos AC/DC, CFD y Particle Tracing for Fluids.

Ejemplo 1: Descripción más integral del modelo

Uno de los ejemplos clásicos aportados por COMSOL es el modelo del "Busbar". En dicho dispositivo se aplica una diferencia de potencial por el que fluye una corriente eléctrica. Debido al Efecto Joule el dispositivo se caliente y disipa energía en forma de calor. Primeramente, el ejemplo de COMSOL modela la convección natural a través del coeficiente de transferencia de calor h. En este caso hemos cambiado la configuración para implementar un "single phase flow" y con ello estudiar en detalle la convección. Finalmente, hemos añadido otro acoplamiento para dar cuenta de la expansión térmica del dispositivo. Así, los nodos de Multifísica son Elecgtromagnetic Heat Source y Thermal Expansion. No obstante, el acoplamiento entre la Transferencia de calor y Fluidodinámica se ha hecho de manera manual. Para visualizar el resultado, véase la Figura 1. Se puede apreciar en las paredes del bloque y del busbar la distribución de temperatura. En los cantos del dispositivo se puede ver el desplazamiento debido a la expansión térmica. Además las líneas de corriente representan la magnitud de la velocidad del aire, cuando éste entra por el contorno de la derecha hacia la izquierda.

Figura 1: Visualización de la distribución de temperatura (paredes), magnitud de la velocidad del aire (líneas de corriente) y desplazamiento del busbar debido a la expansión térmica.

Ejemplo 2: Dielectroforesis

Otro ejemplo con más de un acoplamiento es el modelo "Dieletrophortic separation" [2]. La dielectroforesis (DEP) se produce cuando una fuerza actúa sobre una partícula dieléctrica sometida a un campo eléctrico no uniforme. Con aplicaciones en dispositivos biomédicos para biosensores, diagnósticos y manipulación de partículas, la DEP se aprovecha de las diferencias en tamaño y propiedades dieléctricas para separar células en mezclas. En el dispositivo DEP de filtrado, las células más grandes, como los glóbulos rojos, se desvían más debido a una fuerza mayor, permitiendo su separación de otras partículas. La aplicación ofrece la posibilidad de ajustar características como el campo eléctrico y propiedades de las células. La descripción de los fluidos requiere el uso de la interfaz de Creeping Flow en CFD. La visualización final de la separación se hace por medio de la interfaz Particle Tracing in Fluids. Ver Resultados en Figura 2.

Figura 2: Visualización de la magnitud de la velocidad, partículas (glóbulos rojos y plaquetas en azul) cuya leyenda muestra el diámetro y líneas de campo eléctrico (color amarillo).

Conclusión

La simulación acoplada en COMSOL Multiphysics es un elemento clave, permitiendo la modelación integral de fenómenos físicos interrelacionados. Desde el diseño de dispositivos electrónicos hasta la eficiencia energética y la investigación biomédica, esta capacidad de abordar problemas multifísicos ha llevado a avances en el proceso de diseño y desarrollo. A medida que la tecnología avanza, la simulación acoplada en COMSOL seguirá siendo esencial para enfrentar desafíos multidisciplinarios, transformando la forma en que abordamos problemas complejos.

Referencias

[1] Galería de aplicaciones de COMSOL: Electrical Heating in a Busbar
[2] Galería de aplicaciones de COMSOL: Dielectrophoretic Separation of Platelets from Red Blood Cells