En esta breve presentación voy a comentar las actividades
del grupo de investigación Mecánica de fluidos computacional.
Las líneas de investigación que se desarrollan en este grupo de investigación
están relacionadas con la simulación numérica de flujos de fluidos.
Principalmente flujos interfaciales, que son flujos en los que
intervienen 2 fluidos, como por ejemplo el agua y el aire en el impacto
de una gota de agua sobre una superficie.
Este tipo de flujos tienen mucha aplicación en
procesos industriales como puede ser, por ejemplo,
la microimpresión 3D por deposición de gotas
la formación de espráis, la atomización
de gotas o los procesos de fundición por inyección.
Aparte de flujos interfaciales, en el grupo de investigación
realizamos otras actividades, por ejemplo, la simulación numérica de incendios.
Una de las principales actividades que se desarrollan en el grupo
de investigación es el desarrollo de programas informáticos que permiten
la simulación de flujos interfaciales.
En las simulaciones, el dominio que se va simular,
se divide en un conjunto de celdas que forman una malla.
En cada una de estas celdas se resuelven las
ecuaciones generales
de la mecánica de fluidos.
Obviamente, cuanto más celdas haya en el dominio,
más preciso será el resultado,
pero por otro lado también mayores seran los tiempos de cálculo.
En los flujos interfaciales se debe incluir, además, un algoritmo
que permite determinar en cada instante
dónde está la interfaz y qué forma tiene.
Nosotros para optimizar
los tiempos de cálculo, hemos introducido una malla adaptativa
de tipo Octree que permite concentrar las celdas en las zonas próximas a la interfaz.
Obviamente, para adaptarse a la interfaz, esta malla debe generarse dinámicamente
cada instante de tiempo.
La utilización de este tipo de mallas permite reproducir
fenómenos que se producen en escalas muy pequeñas
como pueden ser las microgotas
que se producen en las salpicaduras cuando impacta una gota,
sin la necesidad de utilizar un número enorme de celdas.
Hay que decir que los tiempos de cálculo típicos
de este tipo de simulaciones pueden llevar a ser de varios días.
Aquí se muestran resultados correspondientes a un test
que pretende comprobar la capacidad del método
de seguimiento de la interfaz, para reproducirla.
Se puede ver cómo a medida que se refina mejoran los resultados.
El grupo de investigación cuenta también con instalaciones
experimentales, para realizar ensayos y reproducir
experimentalmente los flujos fluidos.
Esto permite tener resultados con los que validar el código.
Es decir, ver qué capacidad tienen los programas informáticos
desarrollados para simular flujos reales.
Por otro lado, estos mismos resultados
permiten conocer mejor el problema que se está simulando.
Este es un ejemplo de infraestructura,
se trata de un banco de ensayos de generación de olas.
Las olas se generan en esta cámara transparente
y son generadas por el movimiento de un pistón
cuya aceleración es controlada por un ordenador,
y dependiendo del tipo de aceleración se produce un tipo de ola u otra.
Estos son ejemplos de dos tipos de iluminación que se utilizan
en los ensayos, iluminación halogena, y
iluminación mediante un haz de luz láser.
El haz de luz láser tiene la ventaja de que ilumina solamente una sección,
con lo cual se puede visualizar mucho mejor el flujo.
Esta es una comparación típica entre resultados experimentales y numéricos
y en la que se puede ver el desarrollo de la ola, rotura,
impacto y la formación de picaduras.
Se trata de un proceso muy rápido,
aunque la animación se ha mostrado a camará rápida.
El proceso puede durar en torno a un segundo, con lo cual,
para poder visualizarlo es necesario utilizar cámaras de alta velocidad.
Estos son otros resultados típicos,
una comparación entre resultados numéricos y experimentales.
En esta animación se muestra
la evolución de la vorticidad.
La vorticidad es una magnitud que determina
la rotación de los fluidos.
Esto es otra comparación, en este caso se utiliza un haz de luz laser para iluminar.
El origen del estudio de la generación y rotura de olas,
parte de proyectos de investigación que tenían por objeto
estudiar los procesos de fundición
por inyección a alta presión. En estos procesos
el metal fundido es inyectado dentro de la cavidad del molde
a través de una cámara de inyección.
En esta cámara de inyección,
un pistón empuja el metal fundido, produciendo una ola.
Entonces se trata de ver cuál es la aceleración óptima
que evita que se atrape aire en el metal fundido
y, por lo tanto, de lugar a la porosidad de la pieza.
Esto son resultados que corresponden al impacto
de una gota sobre una superficie líquida.
La gota se suelta desde una cierta altura
y dependiendo de factores como
la velocidad con la que llegue, se forma un tipo de impacto distinto.
Se representan resultados numéricos, y experimentales.
Se puede ver el efecto lupa que se produce
en los experimentos debajo del agua.
Estas imágenes corresponden al impacto de una gota
sobre una superficie sólida, sobre una pared.
Este es un esquema de la disposición de la instalación,
que se utiliza para realizar los ensayos de visualización.
Y aquí tenemos una fotografía de la instalación.
Hay que decir que este tipo de problemas
tiene mucho interés actualmente, porque tiene mucha aplicación
a distintos procesos en Ingeniería,
uno de ellos es la microimpresión 3D por deposición de gotas.
Se trata de una tecnología que permite fabricar
muy diversos tipos de piezas, incluidos micro-componentes,
y que su utilización es cada vez más extendida.
Se trata de un problema de gran complejidad,
por un lado, la evolución del impacto,
puede ser muy distinto dependiendo de muy diversos
factores.
Se puede producir desde una deposición,
hasta salpicaduras,
que a su vez puede ser de muy distintos tipos.
Y esto influye en la pieza que se fabrica.
Por otro lado, se trata de un proceso que se produce
en escalas de tiempo y espacio muy pequeñas.
Son microgotas que impactan en milisegundos, con lo cual,
para poder visualizarlo es necesario tener equipos muy sofisticados,
lentes especiales y cámaras de muy alta velocidad;
en concreto para estos ensayos se ha utilizado una cámara
que recogía 60.000 imágenes por segundo.
Aquí se muestran otros resultados,
corresponden al mismo tipo de gota, vista lateral,
y vista desde abajo. La vista desde abajo permite ver
la zona de contacto entre el líquido
y el sólido, aquí aparece marcada en esta figura.
El resto corresponde a una lámina que se desplaza
paralela a la superficie, pero sin tocarla.
En esta otra figura se muestra un instante
parecido a este y en el que se ponen de manifiesto
detalles que nos han visto las visualizaciones anteriores.
Para ello se utilizan otro tipo
de técnicas experimentales,
se puede ver una nube de microburbujas que se forman
entre la lámina del líquido y la superficie sólida.
El tamaño típico de estas microburbujas es del orden de 10 micras,
lo que da una idea de la complejidad del problema
que se está reproduciendo.
Otras de las actividades que se llevan a cabo en el grupo de investigación
es la simulación numérica de incendios en instalaciones.
Se trata de evaluar el grado de seguridad,
tanto de la instalación como de las personas, durante un incendio.
Estas imágenes corresponden a un estudio que se hizo
en el intercambiador de transporte, de Avenida de América de Madrid.
Estas imágenes son de la zona de dársenas.
Estas puertas comunican con la isla de pasajeros.
Este sería el acceso a la zona comercial.
Y este es el modelo geométrico que se ha desarrollado
con el software que se ha utilizado para las simulaciones.
Se trata de FLUENT, que es un software comercial.
Estos son resultados típicos de variables que se analizan en el estudio,
como pueden ser el grado de visibilidad,
la concentración de humos, o bien,
la distribución de temperaturas.
También se realizan animaciones, que permiten ver
cómo evoluciona el incendio, cómo evoluciona,
por ejemplo, la masa de gases calientes
y cómo actúan los sistemas de extracción de aire.
Y aqui termina esta breve presentación de la actividad
del grupo de investigación.