Introducción/objetivos

El estudio titulado “Analysis of fluid-structure interaction in the transfer of heat through natural convection within a L-shaped wavy enclosure featuring a movable baffle” y publicado recientemente en la revista Journal of Engineering Research (Elsevier), utilizando COMSOL Multiphysics®, es un excelente ejemplo del acoplamiento multifísico basado en transferencia de calor por convección natural e interacción fluido-estructura. Para ello, el autor se centra en una cavidad ondulada en forma de “L” que incorpora una barrera flexible tal y como se muestra en la Figura 1 (a).

Figura 1. (a) Geometría modelizada en COMSOL Multiphysics®. (b) Mallado.

Modelado/simulación

La Figura 1 (b) muestra la malla utilizada. El movimiento del deflector móvil se produce dentro del fluido contenido en el recinto ondulado en forma de L, lo que fuerza a que la malla se ajuste dinámicamente [2] en función del movimiento del deflector. Se empleó la técnica ALE (lagrangiana-euleriana arbitraria) [3], eficaz para gestionar escenarios de flexión estructural y movimiento acoplados de fluidos.

La velocidad con la que se mueve la malla se calculó utilizando la ecuación de Laplace. Dicha ecuación actuó como una ecuación en derivadas parciales (EDP) para suavizar los valores en los bordes en relación con el desplazamiento de la malla. Se aplicaron condiciones de contorno de tipo Dirichlet, prescribiendo valores nulos en las paredes inmóviles y valores de desplazamiento en la interfaz entre el fluido y la estructura (específicamente, en las paredes de la aleta flexible). El avance temporal se realizó mediante una fórmula de diferenciación hacia atrás (Backward Differentiation Formula, BDF). El solucionador PARDISO, que emplea el método de Newton con un factor de amortiguamiento de 0.8, se utilizó para resolver progresivamente las ecuaciones restantes

Resultados/conclusiones

Los resultados de las simulaciones numéricas llevadas a cabo en COMSOL Multiphysics® mostraron que, como se muestra en la Figura 2, al aumentar el número de Rayleigh se intensifican las corrientes convectivas y se generan zonas de recirculación más pronunciadas, especialmente debajo de la barrera. Para valores de Raleigh por encima de 10⁶, la barrera sufre una gran deformación que altera los patrones de flujo y mejora la transferencia térmica.

Por otra parte, bajos valores del módulo de elasticidad permiten mayor flexión de la barrera, lo que modifica los caminos del flujo y crea nuevas zonas de recirculación. A medida que aumenta el módulo de elasticidad, la barrera permanece más rígida, limitando su impacto sobre el comportamiento del fluido.

Figura 2. La evolución de los cambios en las líneas de corriente (a la izquierda), la distribución de temperatura (en el centro) y las superficies de velocidad (a la derecha) para diferentes valores del número de Rayleigh, manteniendo constantes

En cuanto al problema térmico, las líneas isotermas reflejan la evolución del flujo: en presencia de una barrera deformada, el perfil de temperatura se vuelve más disperso, favoreciendo una mayor mezcla térmica y mejor eficiencia en la transferencia de calor.

En conclusión, este trabajo demuestra que COMSOL Multiphysics® es una herramienta potente para simular fenómenos acoplados de transferencia de calor, mecánica de fluidos y mecánica estructural. La capacidad de este programa abordar problemas que involucran mallas dinámicas e interacción fluido-estructura es clave para abordar este tipo de problemas.

Referencias

[1] NH. Alrasheedi, Analysis of fluid-structure interaction in the transfer of heat through natural convection within a L-shaped wavy enclosure featuring a movable baffle, Journal of Engineering Research 2024.
[2] COMSOL Multiphysics® 2025, Deformed Mesh Fundamentals. https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.comsol/comsol_ref_deformedmeshes.25.02.html
[3] COMSOL Multiphysics® 2025, Arbitrary Lagrangian-Eulerian Formulation (ALE). https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.comsol/comsol_ref_deformedmeshes.25.04.html