Una de las líneas de servicio que ofrece ProCycla es la Modelación y Simulación. A través del equipo ModSim, se busca resolver los desafíos que enfrenta la industria de procesos, mediante la aplicación de herramientas computacionales que permiten desarrollar prototipaje y pilotaje virtual de los sistemas.  

Uno de los procesos que ofrece el equipo de ModSim es la modelación fluidodinámica computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics). En este artículo, explicamos en qué consiste la simulación fluidodinámica y cuáles pueden ser sus aplicaciones. 

El principio básico de CFD es la representación del comportamiento de los fluidos mediante las ecuaciones de los fenómenos de transporte que gobiernan los cambios de la cantidad de movimiento, masa y energía, asociados respectivamente a la velocidad, densidad y temperatura del fluido. Además, se puede incorporar otros fenómenos, como las reacciones químicas y el arrastre de sólidos. 

Debido a la complejidad de los modelos CFD, sus simulaciones se basan en el uso de ordenadores, que mediante algoritmos y métodos numéricos discretizan las ecuaciones, permitiendo resolverlas de forma aproximada.  

Gemelos digitales: la clave para una simulación precisa 

Muestra de un sistema de aireación en tanque abierto con agua. Realizado con OpenFoam y visualizado en Paraview.

El uso de CFD está basado en la construcción de un gemelo digital (digital twin). Esto consiste en una representación virtual de un proceso o equipo. Esto abarca, por ejemplo, la representación del transporte de un residuo líquido por cañería, un reactor agitado o una planta de tratamiento de lodos activados. Estas réplicas virtuales son utilizadas para hacer simulaciones antes de que se creen e implementen cambios en los sistemas reales, con el fin de recopilar datos para predecir y optimizar cómo funcionarán. 

A través de la construcción de un gemelo digital, el proceso de CFD puede ayudar a las empresas a, por ejemplo, seleccionar la mejor geometría de un reactor o las condiciones de operación del proceso. 

Mediante prototipaje virtual se pueden estudiar características claves para optimizar la eficiencia y rendimiento de los procesos industriales, como: 

  • patrones de flujo, 
  • aparición y distribución de volúmenes muertos, 
  • formación de vórtices, 
  • distribución de tiempo de residencia, 
  • perfiles de concentración de componentes, 
  • perfiles de temperatura, etc. 

A diferencia de otros tipos de modelos, los gemelos digitales tienen la ventaja de permitir caracterizar las variables mencionadas tanto en el espacio como en el tiempo, logrando un entendimiento cabal del proceso. Así, por ejemplo, CFD permite predecir las heterogeneidades de un sistema.  

Los múltiples usos industriales del proceso de CFD

CFD tiene múltiples usos en el sector industrial. Por ejemplo, se utiliza para el diseño de válvulas y otros elementos hidráulicos, o el estudio del comportamiento de redes de fluidos. La CFD también puede utilizarse para simular intercambiadores de calor y operaciones de mezclado industrial. En todos estos usos, CFD permite mejoras notables en diseño y la resolución de problemas. 

De esta manera, se pueden analizar procesos industriales que impliquen la agitación mecánica o neumática de un fluido, la incorporación de un sistema aireación, o incluso un sistema donde haya precipitación de sólidos. 

Los prototipos virtuales basados en CFD son los modelos que permiten la representación más realista de los fenómenos fluidodinámicos, permitiendo el estudio de una amplia variedad de procesos industriales, incluyendo los siguientes sistemas: 

  • Sistemas de una fase y multifásicos 
  • Fluidos newtonianos y no-newtonianos 
  • Sistemas con mezcla mecánica y neumática 
  • Sistemas con régimen de flujo laminar, en transición y turbulento 

Ventajas del uso de CFD 

Además de presentar un uso versátil, que puede aplicarse en distintos procesos e industrias, el CFD presenta numerosas ventajas. En primer lugar, permite evaluar virtualmente una gran cantidad de modificaciones del diseño original. De esta manera, se reducen los costos y riesgos derivados de la experimentación y pruebas de campo. Además, permite reducir la huella de carbono que genera todo proceso industrial. 

Por otro lado, con CFD es posible estudiar cualquier variable de interés del diseño, obteniendo de esta manera información muy valiosa y versátil. Así, la CFD nos da la posibilidad de analizar sistemas o condiciones muy difíciles de reproducir experimentalmente sin afectar al desarrollo del proceso, como temperaturas muy altas o bajas, movimientos relativos, etc.  

En definitiva, CFD reduce en gran cantidad el número de pruebas a realizar antes de lanzar al mercado un producto totalmente nuevo. Esto no solo permite proceder de manera ágil con un coste inferior, sino que además ofrece una gran comodidad y un aumento considerable de la seguridad en el taller de pruebas. Esto se debe a que las pruebas más hostiles sí pueden ser suplantadas por simulaciones CFD en la mayoría de los casos. 

Equipo de Modelación y Simulación de ProCycla 

El equipo ModSim de ProCycla ofrece flexibilidad en el uso de software de CFD. La oferta abarca el uso de programas comerciales, como Ansys Inc., y de acceso libre, como OpenFoam, para realizar las simulaciones y resolver las ecuaciones matemáticas que expresan las leyes por las que se rigen los fluidos. Entre otros proyectos, el equipo desarrolló una herramienta basada en modelación fluidodinámica para la evaluación del diseño de sistemas antibloom en salmonicultura.  

Para los interesados en CFD, el próximo jueves 2 de junio a las 18:00 hs (CEST), el equipo ModSim de ProCycla realizará un webinar sobre Fundamentos de Modelado y Simulación Fluidodinámica. El webinar, que será gratuito y dictado en inglés, tendrá una duración de 90 minutos y se centrará en los conceptos fundamentales de CFD, el flujo de trabajo para generar un prototipo virtual, los modelos que rigen los procesos involucrados, las características del software disponible. Puedes ingresar aquí para inscribirte