Implementación computacional de la interacción sólido-fluido para el modelo CAFFA3D.MBRI
El modelo numérico CAFFA3D.MBRI se enmarca en el área de mecánica de los fluidos computacional y su aplicabilidad abarca el estudio de flujos tridimensionales viscosos, turbulentos, incompresibles, con transporte de escalares o con superficie libre, entre muchos otros. Es una implementación del Méto...
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| Main Author: | |
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| Format: | doctoralThesis |
| Language: | Spanish |
| Published: |
2018
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| Subjects: | |
| Online Access: | http://hdl.handle.net/20.500.12008/18928 |
| Tags: |
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| Summary: | El modelo numérico CAFFA3D.MBRI se enmarca en el área de mecánica de los fluidos computacional y su aplicabilidad abarca el estudio de flujos tridimensionales viscosos, turbulentos, incompresibles, con transporte de escalares o con superficie libre, entre muchos otros. Es una implementación del Método de Volúmenes Finitos que utiliza mallas curvilíneas y estructuradas por bloques, que permite dividir la tarea realizando el cálculo en paralelo bajo el estándar MPI. En el presente trabajo se desarrollan nuevas extensiones del código, que permiten su aplicación a situaciones que involucren la interacción entre un cuerpo rígido, de forma arbitraria, y un flujo en el que se encuentra inmerso. La presencia del cuerpo se realiza adaptando implementaciones del Método de Condiciones de Borde Inmersas (IBM) y su movimiento de traslación y rotación se calcula con las ecuaciones de la mecánica clásica, discretizadas bajo un esquema leapfrog con sobre-relajación. El cálculo preciso de la fuerza y momento de fuerza de interacción sólido-fluido requiere la utilización de mallas muy finas, que conlleva un elevado costo computacional. Para obtener un cálculo preciso y con un costo computacional moderado, en este trabajo se adapta una implementación previa de la técnica de mallas anidadas para que se muevan de manera solidaria al cuerpo. Esto permite tener en todo momento un refinamiento local de malla en la cercanía del rígido. Además, la técnica completa se implementó para el caso en que intervienen varios rígidos de forma arbitraria. Se aplicó el código generado a diferentes problemas físicos para su validación y para el análisis de su capacidad. Los resultados para el análisis en dos (tres) dimensiones de la caída, bajo la acción de la gravedad, de un círculo (esfera) inmerso en un fluido newtoniano confinado en un recipiente están en excelente concordancia con referencias previas. Además, se modeló la fuerza de choque entre dos cuerpos para analizar el caso de la caída en dos (tres) dimensiones de dos círculos (esferas). Se obtuvieron excelentes resultados y se logró reproducir el fenómeno de drafting, kissing and tumbling (DKT). Para mostrar la capacidad del código frente a problemas de interés tecnológico, se aplicó el modelo al problema de resuspensión de sedimentos para el caso en dos dimensiones de un sedimento circular que es removido de la pared inferior del dominio por un flujo de Poiseuille entre dos paredes horizontales paralelas. El método desarrollado permitirá estudiar situaciones en un amplio rango de escalas. Desde escalas biológicas, como la propagación de glóbulos rojos en el torrente sanguíneo, hasta grandes escalas, por ejemplo en la resuspensión de sedimentos en el fondo de un río o el movimiento de un aerogenerador cuando interactúa con un viento durante la generación de energía eólica. |
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