Análisis comparativo entre herramientas de simulación fluidodinámica (CFD) para la caracterización de sistemas de ventilación

Abstract

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) cumple un rol fundamental en la ingeniería moderna, permitiendo simular y estudiar numéricamente una serie de fenómenos. Existe en la actualidad una industria dedicada a los programas computacionales que permiten realizar este tipo de simulaciones, siendo de gran interés estudiar las diferencias existentes entre dos de las herramientas más conocidas en simulación CFD (ANSYS Fluent y OpenFOAM) mediante un análisis aplicado a un sistema de ventilación industrial real. Con este fin, se buscan establecer las principales diferencias metodológicas de ambos programas, realizar una comparación libre de sesgo de mallado y poder establecer rangos de operación equivalentes entre ambas herramientas. Mediante información otorgada por SAME S.A. se construye un caso de estudio de ventilación simplificado a partir del sistema de ventilación de un laboratorio metalúrgico. Empleando Autodesk Inventor 2019 y ANSYS Meshing 2018 se realiza un mallado de una geometría simplificada desde donde se desarrollan simulaciones en estado transiente equivalentes en OpenFOAM v7 y ANSYS Fluent 2018. Los resultados de las simulaciones resultan ser similares y comparables, pudiendo hacer un pormenorizado análisis de las principales variables simuladas. Se encuentra que OpenFOAM presenta resultados menos conservadores que A. Fluent, teniendo mayores rangos de valores y dispersión de datos. El análisis comparativo de temperaturas evidencia que la inicialización del caso de estudio en estado estacionario determina solamente los primeros segundos de simulación, lográndose luego evoluciones temporales de temperatura similares en ambos programas. Las mayores diferencias numéricas se encuentran al analizar la dinámica del flujo mediante velocidad. En puntos de medición equivalentes, OpenFOAM llega a obtener una diferencia de $27\%$ respecto a la simulación realizada en A. Fluent. Un análisis en detalle muestra visualmente un desarrollo de la dinámica interna de flujo similar entre ambas simulaciones finales pero no idéntico. Finalmente, se analiza el flujo másico simulado presentando leves diferencias entre ambas herramientas y se describe una metodología de uso de OpenFOAM, en cuyo detalle se busca brindar una base de conocimiento para el empleo del programa en esta área de la ingeniería mecánica.