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Los secretos de la dinámica de fluidos: ¿Por qué es tan importante la dinámica de fluidos computacional?
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta indispensable en las comunidades científicas y de ingeniería. CFD utiliza análisis numérico y estructuras de datos para analizar y resolver problemas de flujo de fluidos y puede desempeñar un papel importante en una variedad de campos de aplicación. Esto no sólo implica experimentos aeroespaciales y en túneles de viento, sino que también incluye muchos campos como la ingeniería ambiental y la bioingeniería. Con la llegada de las computadoras de alto rendimiento, el alcance y la precisión de las aplicaciones de CFD también han aumentado.
La CFD normalmente utiliza métodos numéricos para simular el flujo libre de fluidos y resolver la interacción entre el fluido y las condiciones límite.
En esencia, la CFD se basa en las ecuaciones de Navier-Stokes, que describen el comportamiento de la mayoría de los flujos monofásicos (gas o líquido). A medida que avanzaba la investigación, los científicos intentaron simplificar estas ecuaciones, eliminando, por ejemplo, los términos que describen la viscosidad y derivando las ecuaciones de Euler y otras ecuaciones potenciales.
En términos de antecedentes históricos, los orígenes de la CFD se remontan a la década de 1930, cuando los investigadores comenzaron a utilizar ecuaciones de potencial lineal para los cálculos. Los primeros cálculos modernos de tipo CFD aparecieron en la década de 1940 y, aunque fracasaron, sentaron las bases para la meteorología numérica posterior.
Incluso con el poder computacional limitado de la época, la investigación CFD allanó el camino para desarrollos futuros.
Con el avance de la tecnología informática, se ha hecho posible la simulación del flujo de fluidos tridimensional. Francis H. Harlow, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, fue uno de los pioneros en esta área y realizó una serie de avances en la simulación transitoria de flujos. El grupo de Harlow desarrolló una serie de métodos numéricos entre 1957 y la década de 1960 que tuvieron un profundo impacto en el avance de la CFD.
Después de entrar en la década de 2000, la CFD ha ganado atención en una gama más amplia de campos científicos, especialmente por su aplicación en el diseño y análisis de varios sistemas industriales. Con el avance de la tecnología de visualización, la CFD no solo se limita a la simulación digital, sino que también puede presentar el establecimiento y los cambios del flujo de fluido a través de una interfaz gráfica.
El CFD se utiliza ampliamente en muchos campos profesionales, como la aerodinámica, la simulación meteorológica, las ciencias naturales y la ingeniería ambiental.
En el proceso de establecer un modelo CFD, un paso importante es seleccionar ecuaciones de flujo de fluido apropiadas y supuestos físicos relacionados. Estas ecuaciones ayudan a garantizar la racionalidad y precisión de la simulación, proporcionando así un soporte de datos confiable al diseñar u optimizar sistemas de fluidos.
Además, con el desarrollo continuo del software CFD, la nueva generación de herramientas CFD no solo tiene mayor poder de cómputo, sino que también puede hacer frente a problemas de flujo de fluidos más complejos, como el flujo supersónico o el flujo turbulento, proporcionando así una mayor precisión de simulación.
El uso de CF también se ha expandido gradualmente a la ingeniería química, proporcionando una alternativa precisa y rentable para explorar la complejidad del comportamiento del flujo de partículas sin tener que depender de métodos experimentales tradicionales.
A medida que evoluciona el CFD, ¿qué mejoras o avances inesperados podrían aparecer en el futuro? ¿Significa esto que enfrentaremos mayores desafíos y oportunidades?
