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Saludos a todos.
Abro este hilo con la intención de dar a conocer el inicio de uno de mis proyectos y en el que más ilusión tengo puesta.
Se trata de resolver sistemas de sólidos y/o fluidos con transferencia de calor. El caso más general sería el de un sistema con un flujo mixto turbulento y laminar, con sólidos y teniendo en cuenta como mecanismos de transferencia de calor la conducción, convección y radiación.
Se trata, desde mi humilde opinión, de un proyecto bastante ambicioso, pero pienso que me aportará grandes conocimientos en la simulación de fenómenos con flujos turbulentos. En esencia lo que yo hago, o trato de hacer, es resolver las ecuaciones de un sistema, previamente discretizadas, que describen un fenómeno físico. Esto se suele hacer mediante software de elementos finitos que mallan el dominio y resuelven sistemas enormes de ecuaciones (y cuando digo enormes, me refiero a mallas de 1000 x 1000 x 1000 nodos, por ejemplo, con 5 ecuaciones por nodo, vamos, una burrada). Estos sistemas de ecuaciones, a menudo no lineales, se suelen resolver mediante algoritmos iterativos. Bien, eso es lo que pretendo hacer.
Como muchos ya sabréis, el proceso más o menos sería el siguiente (no quiero enrollarme demasiado por lo que intento no explayarme):
- Se parte de un Fenómeno Físico, el cual es sujeto a estudio por científicos.
- Estos científicos elaboran un Modelo basado en las teorías más ampliamente aceptadas dentro de la comunidad. Este modelo está formado en esencia por una serie de ecuaciones que describen el fenómeno físico tan buenamente como pueden.
En este punto nos encontramos con varios caminos posibles a seguir:
Por supuesto todo ello, cada paso, conlleva una serie de errores asociados. Como apreciaréis los más entendidos en el tema no he querido desarrollar demasiado esta parte (si acaso ya la iré editando cuando tenga tiempo libre y la mejoraré). Por el momento estoy ilusionado por mostrar mis primeros resultados (aunque llevo ya tiempo peleándome con estos temas).
Sin más dilación, aquí os presento un ejemplo de simulación.
Se trata de la sección rectangular de una barra formada por 4 materiales distintos. Cada uno de ellos tiene un dominio bien definido por el enunciado del problema y con sus propiedades físicas (conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica...) también perfectamente conocidas y acotadas.
Se dan condiciones de contorno de tipo Dirichlet y de tipo Neumann en las paredes que actúan de fronteras del sistema. En la pared derecha la temperatura es función del tiempo, en la de abajo es constante y en la pared izquierda se conoce el coeficiente de transferencia de calor entre el fluido y la pared (como caso simplificado, ya que se trata de un problema principalmente de conducción) y en la pared de arriba se conoce el flujo de calor.
No se ha tenido en cuenta la radiación en el cálculo.
Como veis, se trata de un problema "sencillo" en comparación con la resolución numérica de las ecuaciones de Navier-Stokes para flujo en régimen laminar, y aún con mucha más diferencia de dificultad si pensamos en un flujo turbulento. No obstante, y aunque ya había tocado los flujos laminares, jamás había resuelto un problema del modo en que lo he hecho esta vez (motivado por mis profesores) y por "algo" se tiene que empezar. Lo lógico es no meterse de cabeza en algo muy complejo de resolver, sino más bien ir "pasito a pasito". Bueno, que me enrollo más de lo que mi tiempo libre me permite
He creado un código en lenguaje C++ y he guardado los mapas de temperaturas cada 20 segundos en un fichero en formato .vtk
Esto último lo he hecho para poder pasarlo como argumento al software PARAVIEW, con el cual me ha sido posible generar una bonita animación. Lo que veréis es, valga la redundancia, una animación de proceso de cambio de la temperatura de la sección de la barra con el transcurso del tiempo. Sí, soy consciente que existen programas que ya lo hacen, pero nunca puedes estar seguro al 100% de su fiabilidad o de qué hipótesis se ha servido a la hora de elaborar el código. Lo cierto y en mi opinión, es que conocer la base, las ecuaciones y cómo funcionan estos programas te ayuda a poder resolver prácticamente cualquier problema que te encuentres, sea lo complejo que sea. Este aprendizaje pienso que me darán una magnífica base para abordar todo tipo de problemas y no sencillamente dedicarme a apretar un par de botones en un programa y no tener ni idea de qué es lo que hace internamente.
Bueno, aquí os dejo la animación. Si me animo y, sobretodo, si tengo tiempo libre iré colgando más animaciones por el estilo (y de fluidos más adelante), siempre que guste y tenga aceptación en este gran foro
Saludos a todos.
P.D. Añado que, una de las motivaciones por desarrollar ordenadores cada vez más potentes es precisamente esta, la de resolver enormes sistemas de ecuaciones de manera numérica. Sobretodo cuando se trata de resolver un problema con flujo turbulento, en el que además intervenga la radiación como mecanismo de transferencia de calor, etc., se dan tiempos de cálculo enormes (horas, días, semanas !!). Por todo ello se emplean superordenadores, que no son más que centenares de CPU trabajando al mismo tiempo en un sólo problema.
El día que tengamos ordenadores lo suficientemente potentes, quizá los ingenieros se encuentren diseñando sus sistemas completamente por ordenador, desde una oficina o desde su casa, sin la necesidad de tanta experimentación y en tan sólo unos segundos. Los médicos podrían estudiar mejor el cuerpo humano y sus tejidos y cómo reaccionan ante distintos estímulos. Vacunas, nuevos diseños de vehículos, mejoras tecnológicas que verían la luz cada vez más y más rápido....en fin, para mí es un tema bastante interesante y quería compartirlo con todo aquél que sepa apreciar su belleza.
Abro este hilo con la intención de dar a conocer el inicio de uno de mis proyectos y en el que más ilusión tengo puesta.
Se trata de resolver sistemas de sólidos y/o fluidos con transferencia de calor. El caso más general sería el de un sistema con un flujo mixto turbulento y laminar, con sólidos y teniendo en cuenta como mecanismos de transferencia de calor la conducción, convección y radiación.
Se trata, desde mi humilde opinión, de un proyecto bastante ambicioso, pero pienso que me aportará grandes conocimientos en la simulación de fenómenos con flujos turbulentos. En esencia lo que yo hago, o trato de hacer, es resolver las ecuaciones de un sistema, previamente discretizadas, que describen un fenómeno físico. Esto se suele hacer mediante software de elementos finitos que mallan el dominio y resuelven sistemas enormes de ecuaciones (y cuando digo enormes, me refiero a mallas de 1000 x 1000 x 1000 nodos, por ejemplo, con 5 ecuaciones por nodo, vamos, una burrada). Estos sistemas de ecuaciones, a menudo no lineales, se suelen resolver mediante algoritmos iterativos. Bien, eso es lo que pretendo hacer.
Como muchos ya sabréis, el proceso más o menos sería el siguiente (no quiero enrollarme demasiado por lo que intento no explayarme):
- Se parte de un Fenómeno Físico, el cual es sujeto a estudio por científicos.
- Estos científicos elaboran un Modelo basado en las teorías más ampliamente aceptadas dentro de la comunidad. Este modelo está formado en esencia por una serie de ecuaciones que describen el fenómeno físico tan buenamente como pueden.
En este punto nos encontramos con varios caminos posibles a seguir:
- Resolución Analítica, que vendría a ser resolver las ecuaciones de manera exacta mediante el uso de las matemáticas.
- Resolución Numérica, que sería resolver las ecuaciones previamente discretizadas de manera numérica (aquí entran en juego los llamados métodos numéricos).
- Resolución Numérica, que sería resolver las ecuaciones previamente discretizadas de manera numérica (aquí entran en juego los llamados métodos numéricos).
Por supuesto todo ello, cada paso, conlleva una serie de errores asociados. Como apreciaréis los más entendidos en el tema no he querido desarrollar demasiado esta parte (si acaso ya la iré editando cuando tenga tiempo libre y la mejoraré). Por el momento estoy ilusionado por mostrar mis primeros resultados (aunque llevo ya tiempo peleándome con estos temas).
Sin más dilación, aquí os presento un ejemplo de simulación.
Se trata de la sección rectangular de una barra formada por 4 materiales distintos. Cada uno de ellos tiene un dominio bien definido por el enunciado del problema y con sus propiedades físicas (conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica...) también perfectamente conocidas y acotadas.
Se dan condiciones de contorno de tipo Dirichlet y de tipo Neumann en las paredes que actúan de fronteras del sistema. En la pared derecha la temperatura es función del tiempo, en la de abajo es constante y en la pared izquierda se conoce el coeficiente de transferencia de calor entre el fluido y la pared (como caso simplificado, ya que se trata de un problema principalmente de conducción) y en la pared de arriba se conoce el flujo de calor.
No se ha tenido en cuenta la radiación en el cálculo.
Como veis, se trata de un problema "sencillo" en comparación con la resolución numérica de las ecuaciones de Navier-Stokes para flujo en régimen laminar, y aún con mucha más diferencia de dificultad si pensamos en un flujo turbulento. No obstante, y aunque ya había tocado los flujos laminares, jamás había resuelto un problema del modo en que lo he hecho esta vez (motivado por mis profesores) y por "algo" se tiene que empezar. Lo lógico es no meterse de cabeza en algo muy complejo de resolver, sino más bien ir "pasito a pasito". Bueno, que me enrollo más de lo que mi tiempo libre me permite
He creado un código en lenguaje C++ y he guardado los mapas de temperaturas cada 20 segundos en un fichero en formato .vtk
Esto último lo he hecho para poder pasarlo como argumento al software PARAVIEW, con el cual me ha sido posible generar una bonita animación. Lo que veréis es, valga la redundancia, una animación de proceso de cambio de la temperatura de la sección de la barra con el transcurso del tiempo. Sí, soy consciente que existen programas que ya lo hacen, pero nunca puedes estar seguro al 100% de su fiabilidad o de qué hipótesis se ha servido a la hora de elaborar el código. Lo cierto y en mi opinión, es que conocer la base, las ecuaciones y cómo funcionan estos programas te ayuda a poder resolver prácticamente cualquier problema que te encuentres, sea lo complejo que sea. Este aprendizaje pienso que me darán una magnífica base para abordar todo tipo de problemas y no sencillamente dedicarme a apretar un par de botones en un programa y no tener ni idea de qué es lo que hace internamente.
Bueno, aquí os dejo la animación. Si me animo y, sobretodo, si tengo tiempo libre iré colgando más animaciones por el estilo (y de fluidos más adelante), siempre que guste y tenga aceptación en este gran foro
P.D. Añado que, una de las motivaciones por desarrollar ordenadores cada vez más potentes es precisamente esta, la de resolver enormes sistemas de ecuaciones de manera numérica. Sobretodo cuando se trata de resolver un problema con flujo turbulento, en el que además intervenga la radiación como mecanismo de transferencia de calor, etc., se dan tiempos de cálculo enormes (horas, días, semanas !!). Por todo ello se emplean superordenadores, que no son más que centenares de CPU trabajando al mismo tiempo en un sólo problema.
El día que tengamos ordenadores lo suficientemente potentes, quizá los ingenieros se encuentren diseñando sus sistemas completamente por ordenador, desde una oficina o desde su casa, sin la necesidad de tanta experimentación y en tan sólo unos segundos. Los médicos podrían estudiar mejor el cuerpo humano y sus tejidos y cómo reaccionan ante distintos estímulos. Vacunas, nuevos diseños de vehículos, mejoras tecnológicas que verían la luz cada vez más y más rápido....en fin, para mí es un tema bastante interesante y quería compartirlo con todo aquél que sepa apreciar su belleza.
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