Presentación

En esta asignatura se tratará la simulación numérica de flujos en geometrías complejas y en regímenes habitualmente compresibles, típicos de equipos industriales tales como compresores, aerogeneradores, reactores químicos, columnas de destilación, etc. Todos estos componentes se suelen caracterizar por su alto número de Reynolds y por ser de naturaleza intrínsicamente turbulenta. Por lo tanto, la estrategia de resolución numérica de las ecuaciones de transporte pasa por modelizar la contribución turbulenta al transporte. No solo de las escalas más pequeñas, como podría ser el caso de simulaciones LES, sino de todas las escalas, incluso las del campo medio. De ahí que los modelos típicamente usados en estos casos sean modelos RANS, para que los requerimientos de potencia computacional necesarios para resolver los problemas no sean prohibitivamente altos.

Existen en la industria multiplicidad de códigos que resuelven estas ecuaciones, usando típicamente discretizaciones espaciales de segundo orden. Algunos de ellos son códigos propietarios, como ANSYS Fluent, otros muchos desarrollados por distintos grupos de investigación o en departamentos de empresas y otros, como OpenFOAM o SU2, que son de libre acceso. En este curso vamos a usar OpenFOAM.

Una de las dificultades que se presentan en este tipo de flujos es la discretización del dominio fluido, generalmente complejo. Al igual que con los códigos RANS, existen también herramientas avanzadas de construcción de mallas. Debido a la dificultad de generación, la cantidad de recursos de libre acceso en este campo es menor. No obstante, existen herramientas lo suficientemente maduras como para poder afrontar los problemas de esta asignatura con garantías, como por ejemplo Gmsh, que es la herramienta elegida en nuestro caso.

Por último, para el posprocesado vamos a usar ParaView, que es el paquete de visualización que se instala por defecto con OpenFOAM.

Competencias básicas

• CB6: Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.
• CB7:Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.
• CB8:Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.
• CB10:Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

Competencias específicas

• CA1: Aplicar las leyes físicas y las ecuaciones matemáticas que rigen el comportamiento de un fluido en sistemas complejos con o sin transferencia de materia, energía o reacción química.
• CA3: Diseñar, desarrollar e implementar los algoritmos necesarios para abordar problemas complejos relacionados con la mecánica de fluidos y el transporte de calor, materia o reacción química.
• CA8: Definir correctamente los parámetros necesarios para realizar una simulación numérica en problemas de fluidos, incluyendo el diseño de la malla computacional y la determinación de las condiciones de flujo, de contorno e iniciales que presenta el problema que se plantea.
• CA9: Determinar objetivamente y de forma crítica si la solución obtenida a partir de la utilización de un programa de simulación numérica es válida o puede contener errores.
• CA12: Identificar los diferentes modelos de reacción química y aplicar los conocimientos y técnicas relativos a la simulación numérica, análisis de datos y visualización de resultados al estudio de sistemas de flujo con reacción química.
• CA13: Aplicar los conocimientos y técnicas relativos a la simulación numérica, análisis de datos y visualización de resultados al estudio de flujos en equipos industriales.
• CA14: Aplicar los conocimientos y técnicas relativos a la simulación numérica, análisis de datos y visualización de resultados al estudio de flujos medioambientales y a la dispersión de contaminantes.

Competencias transversales

• CT1: Desarrollar la autonomía suficiente para trabajar en proyectos de investigación y colaboraciones científicas o tecnológicas dentro de su ámbito temático.
• CT2: Formular valoraciones a partir de la gestión y uso eficiente de la información.
• CT3: Resolver problemas complejos de forma crítica, creativa e innovadora en contextos multidisciplinares.
• CT4: Trabajar en equipos multidisciplinares y en contextos complejos.

Tema 1. Introducción a los flujos industriales

• Características generales de los flujos industriales
• Herramientas y códigos resolvedores
• Ejemplos

Tema 2. Mallado

• Introducción al Gmsh
• Mallado con gmsh
• Mallado con gmsh
• Importación de mallas desde OpenFOAM

Tema 3. Flujos turbulentos

• Introducción
• Construcción de mallas con celdas alargadas en gmsh
• Simulación del caso en OpenFOAM
• Postproceso de la solución

Tema 4. Esquemas upwind

• Introducción
• El problema de Riemann
• La necesidad de esquemas upwind
• Upwinding en ecuaciones no lineales
• MUSCL: un esquema de orden 2 sin oscilaciones

Las actividades formativas de la asignatura se han elaborado con el objetivo de adaptar el proceso de aprendizaje a las diferentes capacidades, necesidades e intereses de los alumnos.

Las actividades formativas de esta asignatura son las siguientes:

• Trabajos. En la programación semanal, puedes consultar cuándo hacerlos y en el Aula virtual encontrarás toda la información sobre cómo desarrollarlos y cómo y cuándo entregarlos.
  
• Participación en eventos. Son eventos programados todas las semanas del cuatrimestre: sesiones presenciales virtuales...

Estas actividades formativas prácticas se completan, por supuesto, con estas otras:

• Estudio personal
• Tutorías. Las tutorías se pueden articular a través de diversas herramientas y medios. Durante el desarrollo de la asignatura, el profesor programa tutorías en días concretos para la resolución de dudas de índole estrictamente académico a través de las denominadas “sesiones de consultas”. Como complemento de estas sesiones se dispone también del foro “Pregúntale al profesor de la asignatura” a través del cual se articulan algunas preguntas de alumnos y las correspondientes respuestas en el que se tratan aspectos generales de la asignatura. Por la propia naturaleza de los medios de comunicación empleados, no existen horarios a los que deba ajustarse el alumno.
• Examen final presencial

Las horas de dedicación a cada actividad se detallan en la siguiente tabla:

Bibliografía básica

Recuerda que la bibliografía básica es imprescindible para el estudio de la asignatura. Cuando se indica que no está disponible en el aula virtual, tendrás que obtenerla por otros medios: librería, biblioteca...

Los textos necesarios para el estudio de la asignatura han sido elaborados para la asignartura y están disponibles en formato digital para consulta, descarga e impresión en el aula virtual.

Bibliografía complementaria

• Leschziner, M. (2015). Statistical Turbulence Modelling for Fluid Dynamics — Demystified: an Introductory Text for Graduate Engineering Students. Londres: Imperial College Press. ISBN: 978-1-78326-662-3.
• Hirsch, C. (2007). Numerical Computation of Internal and External Flows: Fundamentals of Computational Fluid Dynamics (vol. 1, 2ª ed.). Oxford: John Wiley and Sons.
• OpenCFD. (2016). User Guide. Recuperado de https://www.openfoam.com/documentation/user-guide/userch1.php
• Geuzaine, C. y Remacle, J. F. (S. f.). Gmsh reference manual. Recuperado de http://gmsh.info/doc/texinfo/gmsh.html
• Ayachit, U. (2018). The ParaView Guide Community Edition: Updated for ParaView version 5.5.. Clifton Park (Estados Unidos): Kitware.

El sistema de calificación se basa en la siguiente escala numérica:

La calificación se compone de dos partes principales: actividades realizadas a lo largo del curso y un examen final.

La evaluación continua supone el 40% de la calificación final. Este 40% de la nota final se compone de las calificaciones obtenidas en las diferentes actividades formativas llevadas a cabo durante el cuatrimestre.

Ten en cuenta que la suma de las puntuaciones de las actividades de la evaluación continua permite que realices las que prefieras hasta conseguir el máximo puntuable mencionado en la programación semanal. En ella se detalla la calificación máxima de cada actividad o evento concreto puntuables.

El examen se realiza al final del cuatrimestre y es de carácter PRESENCIAL y OBLIGATORIO. Supone el 60% de la calificación final y para que la nota obtenida en este examen se sume a la nota final, es obligatorio APROBARLO. En caso de no aprobar este examen existe la posibilidad de realizar un examen extraordinario de recuperación. La calificación de este segundo examen sustituye a la nota del primer examen y continúa teniendo un peso del 60% en la nota final de la asignatura.

El sistema de evaluación de la asignatura es el siguiente:

Alexandre Fabregat Tomás

Formación académica: Doctor en Ingeniería por la Universitat Rovira i Virgili con un trabajo de tesis centrado en determinar mediante simulaciones CFD el efecto de las fuerzas de flotación y la reacción química sobre las características de la turbulencia en configuraciones de flujo de canal. Licenciado en Ingeniería Química y Ingeniería Técnica lnduistrial por la Universidad Rovira i Virgili.

Experiencia: Después del doctorado, participo en diferentes proyectos de transferencia como personal de investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universitat Rovira i Virg ili en el campo de la Computación en Mecánica de Fluidos. Durante el doctorado, impartió docencia en Métodos computacionales y Métodos Numéricos en Ingeniería. Posteriormente, durante su estancia como postdoc en el departamento de Matemáticas de la City University of New York (USA), impartió la asignatura de Métodos Computacionales en el grado de Matemáticas.

Líneas de investigación:Actualmente es miembro del grupo de investigación en Mecánica de Fluidos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Rovira i Virgili. También colabora con el Consortium for Adanced Research on Transport of Hydrocarbons in the Environment (CARTHE) y el Departamento de Matemáticas de la City University of New York en dos líneas de investigación principales: Estudio de la dinámica de plumas flotantes como resultado de vertidos multifásicos en entornos estratificados bajo rotación y Análisis numérico de los procesos de dispersión en la superficie y la capa de mezcla oceánica.

Fernando Gisbert Cervera

Formación: Doctor ingeniero aeronáuitco por el departamento de Motopropulsión y Fluidodinámica de la Universidad Politécnica de Madrid.

Experiencia: Desde 2007 trabaja en ITP Aero, una compañía dedicada al diseño y fabricación de turbinas de gas. Forma parte del grupo dedesarrollo del código CFD para realizar las simulaciones aerodinámicas de las geometrías de los álabes de turbina. Tiene amplia experiencia en programación de algoritmos para la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles en mallas no estructuradas y en la implementación eficiente en paralelo de dichos códigos: MPI, OpenMPy paralelismo en GPUs.

Obviamente, al tratarse de formación online puedes organizar tu tiempo de estudio como desees, siempre y cuando vayas cumpliendo las fechas de entrega de actividades, trabajos y exámenes. Nosotros, para ayudarte, te proponemos los siguientes pasos:

1. Desde el Campus virtual podrás acceder al aula virtual de cada asignatura en la que estés matriculado y, además, al aula virtual de Lo que necesitas saber antes de empezar. Aquí podrás consultar la documentación disponible sobre cómo se utilizan las herramientas del aula virtual y sobre cómo se organiza una asignatura y también podrás organizar tu plan de trabajo personal con tu profesor-tutor.
2. Observa la programación semanal. Allí te indicamos qué parte del temario debes trabajar cada semana.
3. Ya sabes qué trabajo tienes que hacer durante la semana. Accede ahora a la sección Temas del aula virtual. Allí encontrarás el material teórico y práctico del tema correspondiente a esa semana.
4. Comienza con las lecturas que se te indican en el tema. Esto te ayudará a hacerte una idea del contenido más importante del tema y de cuáles son los aspectos fundamentales. Consulta, además, las otras secciones del tema que contienen material complementario (A fondo).
5. Dedica tiempo al trabajo práctico (sección Actividades). En la programación semanal te detallamos cuáles son las actividades correspondientes a cada semana.
6. Te recomendamos que participes en los eventos del curso (foros de debate). Para conocer la fecha concreta de celebración de los eventos debes consultar las herramientas de comunicación del aula vitual. Tu profesor y tu profesor-tutor te informarán de las novedades de la asignatura.

En el aula virtual de Lo que necesitas saber antes de empezar encontrarás siempre disponible la documentación donde te explicamos cómo se estructuran los temas y qué podrás encontrar en cada una de sus secciones: Lecturas obligatorias, Lecturas recomendadas, Otros recursos y Actividades.

Recuerda que en el aula virtual de Lo que necesitas saber antes de empezar puedes consultar el funcionamiento de las distintas herramientas del Aula virtual: Correo, Foro, Envío de actividades, etc.

Ten en cuenta estos consejos...

• Sea cual sea tu plan de estudio, accede periódicamente al aula Virtual, ya que de esta forma estarás al día de las novedades del curso y en contacto con tu profesor y con tu profesor tutor.
• Recuerda que no estás solo: consulta todas tus dudas con tu profesor-tutor utilizando el correo electrónico. Además, siempre puedes consultar tus dudas sobre el temario en los foros que encontrarás en cada asignatura (Pregúntale al profesor).
• ¡Participa! Siempre que te sea posible accede a los foros de debate. El intercambio de opiniones, materiales e ideas nos enriquece a todos.
• Y ¡recuerda!, estás estudiando con metodología on line: tu esfuerzo y constancia son imprescindibles para conseguir buenos resultados. ¡No dejes todo para el último día!