Introducción a la mecánica de fluidos y transferencia de calor con COMSOL Multiphysics

DESCRIPCIÓN

La importancia que en la actualidad tienen los métodos computacionales de simulación está fuera de toda duda. En el ámbito específico de la ingeniería, la simulación numérica de fenómenos de interés práctico tiene tal influencia en el desarrollo de nuevos productos o tecnologías que no se plantean nuevos diseños o prototipos sin antes haberlos contrastado computacionalmente.

Hasta hace relativamente poco tiempo, el modelado y simulación físicos pasaban por el desarrollo de rutinas específicas destinadas a la solución de problemas particulares y, por tanto, muy poco escalables. En general, estos desarrollos se fundamentaban en arquitecturas de programación que eran prácticamente imposibles de integrar, y obligaba a contar con la colaboración de una gran variedad de personal altamente cualificado tanto en la física que se deseaba modelar como en las técnicas y herramientas computacionales relacionadas. En la actualidad, el nivel de sofisticación alcanzado por los entornos disponibles (como es el caso de COMSOL) ha permitido solventar todos estos problemas.

Con estas premisas, los autores han planeado con la edición de este texto poner a disposición de aquellas personas, estudiantes o no, con inquietudes alrededor de la simulación numérica y conocimientos básicos de mecánica de fluidos y de transferencia de calor, de un método simple a través del cual conocer y diseñar correctamente las etapas inherentes en todo proceso de simulación. Algunas evidentes y razonables, otras, únicamente identificables una vez se está enfrentado al problema: la calidad de la malla (grid) con la que se dicretiza el dominio de trabajo, el establecimiento correcto de las condiciones de contorno y/o iniciales, el modelado adecuado del fenómeno bajo estudio, así como la interpretación correcta de los resultados obtenidos y su alcance son algunas de las características que deben ser valoradas de forma rigurosa.

Con este texto, los autores desean introducir mediante problemas fundamentales de la mecánica de fluidos y de la transferencia de calor y con la ayuda de un entorno como el que ofrece COMSOL, de criterios que permitan la correcta valoración de la validez, bondad y alcance de los resultados obtenidos mediante simulación. Es por ello que se ha optado por incorporar algunos ejercicios con soluciones analíticas que no deben ser entendidos como meras simplificaciones, sino como la forma idónea de, en primer lugar, poder contrastar los resultados obtenidos, en segundo lugar, valorar explícitamente la influencia de distintas estrategias de simulación y, en tercer lugar, explorar las posibilidades que ofrece el entorno de COMSOL para el planteamiento de problemas, sus capacidades de solución y su potencial para el análisis de los resultados obtenidos.

Las razones que han conducido a la elección de COMSOL como herramienta de simulación son variadas y complementarias. Ofrece un entorno moderno e intuitivo, es modular en su concepción, ofrece la posibilidad de estudiar los efectos de solicitaciones de distinta naturaleza (multifísica) de una forma muy sencilla y está bien documentado. Sin embargo existen algunos módulos que creemos todavía en desarrollo y debieran ser complementados, particularmente aquellos relacionados con la dinámica de fluidos computacional. Incluso esta aparente limitación debiera ser interpretada positivamente pensando en el gran recorrido que ofrece un entorno de simulación de estas características.