Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
E. Martín1, M. Meis1,2 y F. Varas1
1Univ. de Vigo, 2Vicus Desarrollos Tecnológicos
Dinámica de fluidos computacional con OpenFOAM18–20 de Junio de 2014
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Proyecto CloudPYME
El proyecto CloudPYME (ID 0682_CLOUDPYME2_1_E) estácofinanciado por la Comisión Europea a través del FondoEuropeo de Desarrollo Regional (FEDER), dentro de la terceraconvocatoria de proyectos del Programa Operativo deCooperación Transfronteriza España–Portugal 2007–2013(POCTEP).
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Plan
1 Modelos de la dinámica de fluidos
2 Modelos físicos en OpenFOAMPrincipales grupos de modelosOtros grupos de modelos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Plan
1 Modelos de la dinámica de fluidos
2 Modelos físicos en OpenFOAMPrincipales grupos de modelosOtros grupos de modelos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Leyes de conservación
Ecuación de conservación de materia∂ρ
∂t+ div(ρ~v) = 0
Ecuación de conservación de momentos
ρ∂~v∂t
+ ρ(~v · ~∇
)~v − divT = ρ~f
Ecuación de conservación de energía
ρcp∂T∂t
+ ρcp~v · ~∇T + div~q = T : ~∇~v + ϕ
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Leyes constitutivas
Flujos newtonianos
T = −pI + µ(~∇~v + (~∇~v)T
)Flujos de calor
~q = ~qcond + ~qrad
~qcond = −k ~∇T
Ecuación de estado
F (ρ,p,T ) = 0
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Modelos límite
Algunas simplificaciones posibles
incompresibilidad del flujoflujos sin transferencia de calor
Compresibilidad de fluido
efectos dinámicos: ∆ρ ∼ ρ0Ma2
efectos térmicos: ∆ρ ∼ ( ∂ρ∂T )p∆T
Algunos números adimensionales
Mach: Ma = U/cReynolds: Re = ρUL
µ
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Limitaciones computacionales
Flujos a alto número de Reynolds
C. Fukushima and J. Westerweel, Technical University of Delft
Flujos laminares y turbulentosflujos laminares: DNSflujos turbulentos: modelado de fluctuaciones
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos potenciales
Hipótesisflujo perfecto (viscosidad despreciable)vorticidad nula
Flujo potencial incompresible
Con ~v = ~∇ϕ:∆ϕ = 0
Observacionesvalidez de hipótesis restrictivaformulación (muy) delicada en flujos externos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos laminares isotermos
Hipótesisbajo número de Reynoldssin transferencia de calor
como consecuencia, flujo incompresible
Ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles
∂~v∂t
+(~v · ~∇
)~v − ν∆~v +
1ρ~∇p = ~f
div~v = 0
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos laminares isotermos
Algunos ejemplos
microfluidíca: MEMS, lab–on–a–chipflujo sanguíneo
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos turbulentos isotermos
Hipótesiselevado número de Reynoldsbajo número de Machsin transferencia de calor
como consecuencia, flujo incompresible
Modelado de la turbulenciaLarge Eddy Simulation (LES)Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos turbulentos isotermos
Ecuaciones de Navier-Stokes incompresiblesEcuaciones promediadas/filtradas
∂~U∂t
+(~U · ~∇
)~U − ν∆~U +
1ρ~∇P + divT′ = ~f
div~U = 0
Modelado de turbulencia (divT′)Large Eddy Simulation (LES):
se resuelve hasta rango inercial (coste muy alto)se modela el efecto de subescalas
Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS):se resuelve solo escalas muy grandes (coste moderado)se modelan las escalas más reducidasdiferentes alternativas: k − ε, k − ω, Spalart-Allmaras
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos turbulentos isotermos
Algunos ejemplos
aerodinámica de turismoanálisis de aerogeneradorhidrodinámica de buqueaerodinámica de UAV (Unmanned Aerial Vehicle)análisis de turbina hidráulica
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos compresibles
Flujos con número de Mach no reducidoefectos de compresibilidad apreciablesformación de ondas de choque con Mach supersónico
Observacionesesquemas numéricos capaces de resolver choquesflujos con efectos confinados de viscosidad
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos compresibles
Ecuaciones de Euler (compresibles)
∂ρ
∂t+ div(ρ~v) = 0
∂
∂t(ρ~v) + div(ρ~v ⊗ ~v) + ~∇p = ~0
∂
∂t(ρe) + div
((ρe + p)~v
)= 0
F (ρ,p,e) = 0
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos compresibles
Algunos ejemplosaeroaves comercialestransbordador espacialHyperloop
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos con transferencia de calor
Compresibilidad del fluidocaso casi–incompresible: β∆T << 1
se toma ρ = ρ0 en términos de inerciase retienen fuerzas de flotación
caso compresiblese considera ρ variable en todos términos
Coeficiente de expansión térmica β = −1ρ( ∂ρ∂T )p
En fluidos comunesagua (a 25C): β ' 0.257× 10−3 K−1
gases perfectos: β = 1/T
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos con transferencia de calor
Aproximación de Boussinesqcon β∆T << 1:
ρ ' ρ0 − ρ0β(T − Tref )
Navier–Stokes incompresible y ec. energía
∂~v∂t
+(~v · ~∇
)~v−div
µ
ρ0
(~∇~v + (~∇~v)T
)+
1ρ0~∇p′ = −gβ(T−Tref )~eg
div~v = 0
ρcp∂T∂t
+ ρcp~v · ~∇T − div(k ~∇T ) = ϕ
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos con transferencia de calor
Caso general: Navier–Stokes compresibles
∂ρ
∂t+ div(ρ~v) = 0
ρ∂~v∂t
+ ρ(~v · ~∇
)~v − div
(µ(~∇~v + (~∇~v)T
))+ ~∇p = ρg~eg
ρcp∂T∂t
+ ρcp~v · ~∇T − div(k ~∇T ) = ϕ
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos multifásicos
Descripción de flujos multifásicosDescripción discreta (Discrete Phase Models)
- descripción euleriana de una fase continua- descripción lagrangiana de una fase dispersa
Descripción continua (Continuous Phase Models)- descripción promediada de fases- modelos con una/dos ecuaciones
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos multifásicos
Algunos modelos continuos
Modelo VOF (Volume Of Fluid)una sola ecuación de momentosmezcla se trasporta a misma velocidad
Modelo de mezclauna sola ecuación de momentos (asume fase dispersa)fase dispersa se puede trasportar a velocidad diferente
Modelo eulerianodos ecuaciones (dos fases continuas)modelado de intercambios entre ambas fases
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos multifásicos
Algunos ejemplos
transporte de una burbuja/gotageneración de vapor en ebullidorflujo en canal abierto
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos reactivos
Modelado de flujos reactivosAdemás de leyes de conservación de masa, momento yenergía:
principio de conservación de cada especieAdemás de leyes constitutivas:
cinéticas de reacciones químicas
Observacionesen muchos casos, flujos multifásicoscinéticas químicas pueden ser muy complejas
(ej. combustión hace intervenir numerosos radicales)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Flujos reactivos
Algunos ejemplos
reactor químicocilindro de un motor alternativocámara de combustión de una turbina de gasescaldera de una central térmica
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Modelos no continuos
Dinámica molecularSe describen interacciones entre (muy grandes) poblacionesde partículas
Algunos campos de aplicación
NanofluídicaFlujos granularesLíneas de contacto dinámicasCosmología
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Acoplamiento fluido–estructura
Modelado de acoplamientoModelo acoplado:
modelado estructuralmodelado fluidodinámico
En general, desplazamientos finitos:no linealidad geométrica en estructuramodelado fluidodinámico sobre geometría variable
Ejemplosvibraciones en estructuras offshorefenómenos aeroelásticos (flutter)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Plan
1 Modelos de la dinámica de fluidos
2 Modelos físicos en OpenFOAMPrincipales grupos de modelosOtros grupos de modelos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Modelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelos
modelos básicosflujos incompresiblesflujos compresiblestransferencia de calorflujos multifásicosflujos reactivos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Modelos físicos en OpenFOAM (cont.)
Otros grupos de modelos
transporte de partículaselectromagnetismodinámica molecularmecánica de sólidosotros
Referenciashttp://www.openfoam.org/features
OpenFOAM User Guide (sección 3.5)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Plan
1 Modelos de la dinámica de fluidos
2 Modelos físicos en OpenFOAMPrincipales grupos de modelosOtros grupos de modelos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Modelos básicos
Modelos básicos en OpenFOAMFlujos potencialesEcuación de transporte
Archivo scalarTransportFoam.C
solve ( fvm::ddt(T) + fvm::div(phi,T) -fvm::laplacian(DT,T) );
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos incompresibles
Modelos incompresibles en OpenFOAMflujos laminaresflujos turbulentos
Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS):http://www.openfoam.org/features/RAS.phpLarge Eddy Simulation (LES):http://www.openfoam.org/features/LES.php
Principales solversicoFoam: flujo transitorio laminarpisoFoam: flujo transitorio laminar/turbulentosimpleFoam: flujo estacionario laminar/turbulento
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos incompresibles (cont.)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos compresibles
Modelos compresibles en OpenFOAMflujos subsónicos laminares/turbulentos (RANS)flujos transónicos/supersónicos
Principales solversrhoSimpleFoam: flujo estacionario laminar/turbulentorhoPimpleFoam: flujo transitorio laminar/turbulentosonicFoam: flujo transitorio transónico/supersónicorhoCentralFoam: flujo transitorio transónico/supersónico
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos compresibles (cont.)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos con transferencia de calor
Modelos de flujos con transferencia de calor en OpenFOAMflujos incompresibles (hipótesis de Boussinesq)flujos compresibles
Principales solversbuoyantBoussinesqSimpleFoamflujo estacionario laminar/turbulento incompresiblebuoyantBoussinesqPimpleFoamflujo transitorio laminar/turbulento incompresiblebuoyantSimpleFoamflujo estacionario laminar/turbulento compresiblebuoyantPimpleFoamflujo transitorio laminar/turbulento compresible
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos con transferencia de calor (cont.)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos multifásicos
Algunos modelos multifásicos en OpenFOAM
flujos incompresibles de fluidos inmisciblesflujos compresibles de fluidos inmisciblesflujos bifásicos con fase dispersa
Solvers más sencillosinterFoamflujo laminar/turbul. de dos fluidos incompresibles (VOF)compressibleInterFoamflujo laminar/turbulento de dos fluidos compresibles (VOF)twoPhaseEulerFoamflujo multifásico con una fase dispersa
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos multifásicos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos multifásicos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos reactivos
Modelos reactivos en OpenFOAMflujos reactivos (genéricos)modelos de llamas premezcladasmodelos de llamas de difusióncombustión de sprays
Algunos solvers
reactingFoam: solver genérico para flujos reactivosfireFoam: solver para llamas de difusión (incl. fuenteslagrangianas, pirólisis, etc.)XiFoam: solver para llamas premezcladas (modelosespecíficos de turbulencia)
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Flujos reactivos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Plan
1 Modelos de la dinámica de fluidos
2 Modelos físicos en OpenFOAMPrincipales grupos de modelosOtros grupos de modelos
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Transporte de partículas
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Otras físicas
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM
Modelos de la dinámica de fluidosModelos físicos en OpenFOAM
Principales grupos de modelosOtros grupos de modelos
Fuentes de información
OpenCFDTutoriales de OpenFOAMCódigo fuente de OpenFOAM
Comunidad de usuarioshttp://openfoamwiki.net
Curso de CFD basado en OpenFOAM en:http://www.tfd.chalmers.se/˜hani
OpenFOAM Workshophttp://openfoamworkshop.org
E. Martín, M. Meis y F. Varas Sesión 2. Modelos físicos en OpenFOAM