Ensayo Ingeniería Civil - CFD

 

MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL APLICADA EN INGENIERÍA CIVIL

Estudiar la mecánica de fluidos en diferentes ramas de la ingeniería ha permitido a los estudiantes solucionar problemas de gran complejidad en su vida profesional, obteniendo resultados positivos para cada uno de estos. La mecánica de fluidos es una parte de la física que se ocupa de los fluidos en reposo o movimiento, por lo tanto, al presentar un campo de acción tan amplio, resulta necesario enfocarnos en la parte que nos interesa tratar, la mecánica de fluidos computacional. El propósito de este texto es exponer las aplicaciones de la mecánica de fluidos computacional (CFD) en la ingeniería civil. Primero, se presenta una breve definición de la CFD y su desarrollo. Segundo, qué aplicaciones tiene esta parte de la mecánica de fluidos en la ingeniería civil. Finalmente, se concluirá el tema, haciendo énfasis en su importancia actual al momento de llevar a cabo proyectos relacionados con esta ingeniería. Con respecto a la mecánica de fluidos computacional, computacional , ésta se ha consolidado como técnica de análisis de flujos en diversos tipos de problema, ya que como lo expresan Balbastro & Sonzogni (2012) “los problemas numéricos resultantes exigen importantes potencias de cálculo y el uso de herramientas computacionales de alto desempeño es imperativo en estos casos”, es decir  que,  que, ante la complejidad de los problemas que surgen cuando se desplazan gases o fluidos en construcciones de diversas infraestructuras, es de gran importancia acudir a estas herramientas tecnológicas que facilitan la solución de dichos problemas durante la planeación, esto, mediante métodos numéricos y algoritmos.

 

 Ahora bien, bien, la enseñanza enseñanza de la CFD CFD en ingeniería ingeniería ha merecido merecido una una atención atención limitada hasta el momento, la cual se ha venido incrementando al considerar que estos programas brindan una mayor facilidad al analizar sistemas de flujo que pueden involucrar o no problemas de transferencia de calor y fenómenos asociados a reacciones químicas. En cuanto a la aplicación de la CFD ha crecido enormemente por la alta velocidad que desarrollan las computadoras, por esta razón su aplicación se ha introducido en diferentes ingenierías, siendo pioneros la industria aeroespacial, sin dejar a un lado la importancia que también representa para las otras ingenierías, como lo es la civil.  Actualmente,  Actualmen te, la tarea principal de la CFD es reproducir reproducir fenómeno f enómenos s que en algunos casos no tienen una solución analítica por su comportamiento no lineal, como, por ejemplo, difusión, convección, ondas de choque, capa límite, superficie libre y turbulencia. Además, los resultados numéricos pueden ayudar a reducir el número

de

ensayos

en

un

laboratorio

experimental,

reduciendo

costos

específicamente y optimizando nuevos diseños de prototipos en la industria, lo que representa una gran ventaja. Por lo que se refiere a su funcionamiento, un código CFD consiste en tres partes:

preprocesador,

solucionador

y

post-procesador.

Iniciando

en

el

preprocesador, donde para realizar el análisis a determinado objeto, se debe definir la región de interés, posteriormente generar la malla computacional sobre ese dominio físico, luego se tendría que seleccionar las ecuaciones de gobierno del fluido, definir las propiedades del fluido y las condiciones de contorno del dominio físico y del objeto. Con respecto al solucionador, se tendría que realizar la

 

aproximación de las variables de flujo en el dominio computacional, computaci onal, la discretización de las ecuaciones de gobierno y posteriormente se realiza la solución soluc ión de ecuaciones de gobierno, es decir, resolver un sistema de ecuaciones que va depender del número de elementos de la malla computacional. Finalmente, el post-procesador proporciona la visualización de los resultados numéricos. En el caso específico de la ingeniería civil, la mecánica de fluidos computacional se ve encargada directamente de diseños óptimos de recirculación, manejo de aguas, análisis de vientos en cuanto a túnel de viento para edificios, vibración de puentes, controles de polución, vigas y paneles solares, entre otros, siendo estos los usos más frecuentes de CFD. Un ejemplo que pone en evidencia la importancia del uso de estos programas en la ingeniería civil, es el caso del puente Tacoma Narrows en Estados Unidos, según Sureda (2014) “el puente estaba diseñado para soportar vientos de hasta 200 km/h, pero una mañana sus vibraciones eran mayores que las habituales. Los dos lados de la carretera se retorcían sin parar alrededor del eje central por efecto del viento ”. En este caso, realizar una simulación con los datos de flujo de viento, hubiera prevenido el colapso de la estructura, lo que a su vez hubiera evitado la pérdida de tiempo y el aumento de gastos de inversión.  Así mismo, la ingeniería ingeniería civil, al encargarse encargarse de la planeación planeación de infraestructuras, debería incluir dentro de sus cálculos y análisis una simulación con CFD, esto, como se ha mencionado, facilita calcular cómo sería el funcionamiento de la infraestructura y si es viable su construcción, al igual que, los cálculos aproximados permiten observar cómo afecta las condiciones medioambientales

 

(temperatura, vientos, exposición a cambios climáticos, entre otros) al objeto en estudio, lo que significaría que el ingeniero, en caso de algún problema, se daría cuenta durante la planeación y no una vez esté realizada la obra.

En lo que toca a la elaboración de proyectos donde la mecánica de fluidos computacional se aplica a las obras civiles, se pueden plantear las siguientes opciones. Primero, la incidencia que generan los movimientos sísmicos en estructuras tales como viviendas o edificios, aquí, la CFD sería usada como laboratorio virtual para conocer la incidencia de estos movimientos y la resistencia de la infraestructura. Segundo, el estudio de la afectación de corrientes bifásicas (aire-agua) a determinado tipo de cubierta. Tercero, el análisis térmico de ventanales de doble vidrio, con la CFD se podrían evaluar patrones de flujo incluyendo transferencia de calor generada por el cambio del clima. Cuarto, evaluar los tipos de materiales para el techo de una vivienda, considerando los efectos del recubrimiento, el espesor y tipo de material. Así mismo, mismo , se puede encontrar diversos usos de la CFD en problemas relacionados con la ingeniería civil, desde flujo en acueductos hasta análisis térmicos de cualquier superficie. Por último, se puede concluir que, la técnica de mecánica de fluidos computacional facilita al estudiante generar una idea de su campo laboral y los problemas a los que se enfrenta, presentándose la CFD como herramienta teórica para realizar análisis de estos problemas de la vida práctica. Cabe agregar que, el uso de este programa aplica para la gran mayoría de infraestructuras, ya que su campo de acción es bastante amplio al abarcar diferentes tipos de flujos junto con

 

diferentes factores medioambientales, considerándose así, como un programa íntegro en el estudio de proyectos. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Para el desarrollo de este texto, se consultaron las siguientes fuentes. Cabe resaltar que al ser un texto de corta extensión solo se introdujeron 2 citas, las cuales resultaron necesarias ya que complementaban las ideas ya desarrolladas. Teniendo en cuenta lo anterior, las fuentes aquí presentadas se emplearon para obtener el conocimiento acerca del tema y así poder desarrollar nuestras propias ideas. [1] Balbastro, G., & Sonzogni, V. (2012). Uso de CFD para estudio de presiones del viento en cubiertas curvas aisladas. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, Ingeniería, 49-54. Obtenido de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S021313151100037XV [2] Bohórquez, P. (22 de Febrero de 2011). Mecánica de Fluidos Computacional. Obtenido Computacional.  Obtenido de Escuela Politécnica de Jaén : http://blogs.ujaen.es/prmedina/wpcontent/uploads/2012/06/PRESENTACIONMFC.pdf [3] Carrillo, J., & Castillo, L. (s. f. ). Consideraciones del mallado aplicadas al cálculo de flujos bifásicos con las técnias de dinámica de fluidos computacional. IV Jornadas de introducción a la investigación de la UPCT , 33-35. [4] Iglesias, N., Montero, J., Muñoz, P., & Antón, A. (2009). Estudio del clima nocturno y el empleo de doble cubierta de techo como alternativa pasiva para aumentar la temperatura nocturna de los invernaderos utilizando un modelo basado en la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) . Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), (FAO), 485-495. [5] Maldonado, S. (2011). Tesis: Hidrodinámica y transporte de sustancias en aguas costeras. México, costeras.  México, D.F.: Universidad Nacional Autónoma de México. Obtenido de http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/4576/t esis.pdf?sequence=1

 

[6] Pallares, M., & Rodríguez, W. (2006). Diseño de un software educativo para el análisis de sistemas hidráulicos a presión en ingeniería civil. Revista Ingeniería e Investigación,, 58-66. Investigación [7] Sureda, M. (8 de Abril de 2014). ¿Cayó el puente de Tacoma Narrows por la resonancia? Gaia Ciencia, Ciencia, pág. 6. [8] Valdez, P., Tula, R., Pelissero, M., & Haim, A. (2015). Simulaciones de fluidos con CFD aplicadas a interpretar el aprovechamiento de la energía renovable oceánica.  oceánica.  Buenos Aires: Universidad Tecnológica Nacional. Obtenido de file:///C:/Users/estef/Downloads/DialnetSimulacionesDeFluidosConCFDAplicadasAInterpretarEl-5289665.pdf [9] Xamán, J., & Gijón-Rivera, M. (2016). Dinámica de fluidos Computacional para Ingenieros. Bloomington: Ingenieros.  Bloomington: Palibrio. [10] Yang, L., Ye, M., & Bao-jie, E. (2014). Investigación de simulación de CFD sobre la calidad del aire interior residencial. Science of The Total Environment , 1137-1144. Obtenido de https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969713014228 [11] Zamora, B., & Kaiser, A. (2009). Enseñanza de Temas Avanzados de Mecánica de Fluidos usando Dinámica de Fluidos Computacional. Scielo - Formación Universitaria Vol. 2 N° 1, 1, 27-36.