El papel de la dinámica de fluidos por computadora (CFD) en diseños reales

R E S U M E N

Este documento utiliza, a modo de ejemplo, dos disipadores térmicos, un dispositivo médico de succión, un horno doméstico y una válvula de control industrial, a fin de ilustrar de qué manera SolidWorks® Flow Simulation puede ayudar a los ingenieros de diseño a crear los mejores diseños de producto posibles cuando se enfrentan a problemas de transferencia térmica y flujo de fluidos. SolidWorks® Flow Simulation es un programa de dinámica de fluidos por computadora (CFD, por sus siglas en inglés) inteligente y fácil de usar para los ingenieros de diseño que usan el software CAD de SolidWorks® para crear diseños.

D o c U M E N t o t E M á t i c o

inspiration

El enfoque de SolidWorks® Flow Simulation

Siempre aparecen problemas de transferencia térmica cuando los ingenieros de diseño trabajan con productos electrónicos que se pueden estropear fácilmente si se sobrecalientan. Los disipadores térmicos resuelven el problema de sobrecalentamiento, pero ¿cuál es el mejor diseño y la mejor ubicación de un disipador térmico para un determinado dispositivo electrónico? ¿Y cómo puede un ingeniero de diseño seleccionar el disipador térmico más rentable y que mejor se adapte a su propósito sin construir ni romper muchos prototipos costosos?

Cuando se diseña un dispositivo médico de succión para una aplicación que necesita la velocidad de flujo más alta posible para una determinada caída de presión (succión), con una recirculación limitada dentro del dispositivo, y el mayor perfil posible de velocidad uniforme en el cabezal de succión, se producen problemas completamente diferentes. La cuestión vuelve a ser cómo seleccionar el mejor diseño de manera más rentable y rápida.

Los mismos principios se aplican a los productos de consumo, como los hornos y los equipos industriales que incluyen válvulas de control.

Los ejemplos antes citados son problemas a los que se enfrentan los ingenieros de diseño en su trabajo diario y también son muy representativos de los problemas cotidianos que se encuentran los diseñadores de muchos productos diferentes.

La dinámica de fluidos por computadora (CFD) es una herramienta de simulación que puede ser de gran ayuda para resolver dichos problemas. Con frecuencia, sin embargo, los programas de CFD son muy complejos y difíciles de usar, especialmente para los ingenieros de diseño que no tienen conocimientos avanzados sobre la física de flujos de fluidos. SolidWorks® Flow Simulation ofrece una CFD inteligente y fácil de usar a los ingenieros de diseño que usan el software CAD de SolidWorks® para crear diseños.

Diseño 1: disipador térmico para dispositivo externo

El primer disipador térmico es para una pieza de un equipo electrónico, por ejemplo una cámara de vigilancia, que se utilizará en el exterior de los edificios. Para protegerla de los elementos, el dispositivo tiene que estar bien sellado, pero sin ventilación; la mayor parte de la transferencia térmica se realizará sólo por un lado del alojamiento. En este caso, el disipador térmico tiene que ayudar a eliminar el calor. El fabricante del dispositivo ha optado por un disipador térmico listo para usar y su diseño ya no se puede cambiar.

¿Cómo puede el ingeniero de diseño encontrar maneras rentables de incrementar la refrigeración con parámetros tan restringidos?

Si empezamos con un modelo del disipador térmico comercial, creado con el software CAD de SolidWorks® (Figura 1), el diseñador puede ver que, a medida que la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo, el calor del alojamiento se dirigirá a las aletas del disipador térmico, y se eliminará mediante la elevación de aire más ligero, es decir, por convección natural. Para probar un diseño "protegido", el diseñador colocará una cubierta sobre el disipador térmico y, a continuación, deberá determinar si esa acción generará un efecto chimenea, creando más flujo de aire y enfriando así de manera más eficaz el producto electrónico.

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Con frecuencia, los programas para la dinámica de fluidos por computadora (CFD) son muy complejos y difíciles de usar, especialmente para los ingenieros de diseño que no tienen conocimientos avanzados sobre la física de flujos de fluidos. SolidWorks® Flow Simulation ofrece una CFD inteligente y fácil de usar a los ingenieros de diseño que usan el software CAD de SolidWorks® para crear diseños.

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FiGURA 1: DiSipADor térmiCo AutorizADo.

Con SolidWorks® Flow Simulation, el ingeniero de diseño utiliza el Asistente de proyectos del programa para configurar el análisis del flujo. El Asistente de proyectos permite al diseñador: definir el sistema de unidades que se va a usar, el fluido como aire, y el tipo de análisis como un problema de transferencia térmica conjugada externa; aplicar la gravedad para conducir el flujo para la convección libre; introducir la temperatura ambiente y las condiciones de presión; y seleccionar el nivel de mallado automático de la resolución de resultados. todo dentro de una interfaz sencilla y fácil de utilizar.

El siguiente paso lleva al ingeniero al árbol de análisis de SolidWorks® Flow Simulation, donde puede aplicar la carga de potencia térmica en el disipador térmico con una sencilla opción del menú que aparece al hacer clic con el botón secundario del ratón que también ayuda a establecer la ubicación para la carga y la potencia de entrada.

Por último, el ingeniero define las metas generales del análisis para el diseño, y establece la temperatura máxima del disipador térmico y la velocidad máxima del aire como objetivos, lo que le permite supervisar esos valores en la etapa de cálculos y crear una tabla de los valores computados una vez completado el análisis.

FiGURA 2: DiSipADor térmiCo DiSipADor térmiCo

Sin protECCión. Con protECCión.

pArA DEtErminAr Si El DiSipADor térmiCo FunCionArá mEjor Con lA

protECCión o Sin EllA, El ingEniEro DE DiSEño EjECutA un AnáliSiS DE

DinámiCA DE FluiDoS por ComputADorA (CFD) Con SoliDWorkS® FloW

SimulAtion.

Con SolidWorks® Flow Simulation, el ingeniero de diseño utiliza el Asistente de proyectos del programa para configurar el análisis del flujo.

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Parámetro Sin protección con protección

temperatura (ºC) 62 55,9

tAblA 1: tEmpErAturA mEDiA CAlCulADA pArA CADA vErSión DEl DiSEño.

FiGURA 3: rESultADoS DEl AnáliSiS, quE muEStrAn lAS rEDuCCionES DE

vEloCiDAD. loS ColorES máS CáliDoS inDiCAn unA vEloCiDAD vErtiCAl

SupErior. El DiSEño Con lA protECCión tiEnE mAyor vEloCiDAD

AlrEDEDor DE lAS AlEtAS DEl DiSipADor térmiCo.

FiGURA 4: rEDuCCionES DE vEloCiDAD A trAvéS DE unA SECCión vErtiCAl.

loS rESultADoS muEStrAn quE lA vErSión Con lA protECCión tiEnE unA

mAyor vEloCiDAD DEntro DEl moDElo.

FiGURA 5: rEDuCCionES DE tEmpErAturA A trAvéS DE unA SECCión

vErtiCAl. EStE rESultADo DEmuEStrA quE El moDElo Con lA protECCión

trAnSFiErE máS CAlor Al AirE.

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FiGURA 6: rEDuCCionES DE tEmpErAturA DE loS SóliDoS A trAvéS DE unA

SECCión vErtiCAl. EStoS rESultADoS muEStrAn quE El moDElo Con lA

protECCión ES SigniFiCAtivAmEntE máS Frío, Con tEmpErAturAS quE

vAn DESDE 55 ºC A 57 ºC. El DiSipADor térmiCo Sin lA protECCión SupErA

EStAS tEmpErAturAS.

Los estudios de SolidWorks® Flow Simulation muestran que la incorporación de una protección a un disipador térmico montado verticalmente produce un incremento importante de la refrigeración, con una disminución del 10,9 por ciento de la temperatura media si se comparan los dos diseños.

Diseño 2: disipador térmico para el chip principal de un alojamiento electrónico

El segundo disipador térmico necesita proteger el chip principal, instalado con otros componentes electrónicos, en un alojamiento electrónico. En este caso, el ingeniero de diseño necesita identificar y seleccionar cuál es la mejor forma de disipador térmico para esta finalidad.

FiGURA 7: moDElo DE AlojAmiEnto ElECtróniCo.

El diseño que se muestra en la Figura 7 es un ensamble de un alojamiento electrónico del software CAD de SolidWorks®, incluido el disipador térmico principal. El ventilador instalado inyecta aire al alojamiento, a través del disipador térmico, y lo extrae a través de las ranuras de salida para enfriar los componentes electrónicos calentados por convección forzada. ¿Cuál de los dos disipadores térmicos de forma diferente disponibles en el mercado logra que el chip principal se caliente menos?

El ingeniero de diseño puede determinar esto con SolidWorks® Flow Simulation de manera muy sencilla. Como en el análisis anterior, el ingeniero utiliza el Asistente de proyectos para configurar el problema de transferencia térmica conjugada interna. Para definir el ventilador en este análisis de flujo forzado, el diseñador puede seleccionar el perfil de ventilador adecuado de una lista disponible en la Base de datos de ingeniería integrada en SolidWorks® Flow Simulation.

Para definir el ventilador en este análisis de flujo forzado, el diseñador puede seleccionar el perfil de ventilador adecuado de una lista disponible en la Base de datos de ingeniería integrada en SolidWorks® Flow Simulation.

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A continuación, el diseñador utiliza fuentes de calor volumétricas para representar los componentes que se calientan durante el uso y establece objetivos de temperatura máxima y media del chip principal y del disipador térmico. una vez completado el análisis, podrá ver las temperaturas resultantes como trazados de superficie sobre los componentes eléctricos y como trazados de corte a través del fluido y los sólidos. El ingeniero de diseño también puede crear vectores de velocidad que faciliten la visualización de los patrones de flujo a través de los cuales el ventilador inyecta aire al disipador térmico y alrededor de todo el alojamiento.

Nº 1 y Nº 2: FormAS ConCurrEntES DEl DiSipADor térmiCo. SoliDWorkS®

FloW SimulAtion AyuDA A loS ingEniEroS A CAlCulAr lA tEmpErAturA

DEl AlojAmiEnto ElECtróniCo.

tAblA 2: tEmpErAturAS máximA y mEDiA CAlCulADAS DEl Chip prinCipAl

Con CADA uno DE loS DoS DiSipADorES térmiCoS.

FiGURA 8: rESultADoS DEl AnáliSiS En un trAzADo DE CortE DE

tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA FrontAl, tAl Como SE obtiEnE

pArA El DiSipADor térmiCo nº 1. lA pAlEtA DE 30 ColorES muEStrA

tEmpErAturAS En un rAngo DE 50 ºF A 100 ºF.

FiGURA 9: trAzADo DE CortE DE tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA

SupErior, tAl Como SE obtiEnE pArA El DiSipADor térmiCo nº 1.

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FiGURA 10: trAzADo DE CortE DE tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA

lAtErAl, tAl Como SE obtiEnE pArA El DiSipADor térmiCo nº 1.

FiGURA 11: loS vECtorES DE vEloCiDAD, quE muEStrAn unA viStA lAtErAl,

tAl Como SE obtiEnE pArA El DiSipADor térmiCo nº 1.

FiGURA 12: rESultADoS DEl AnáliSiS En un trAzADo DE CortE DE

tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA FrontAl, tAl Como SE obtiEnE

pArA El DiSipADor térmiCo nº 2.

FiGURA 13: trAzADo DE CortE DE tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA

SupErior, tAl Como SE obtiEnE pArA El DiSipADor térmiCo nº 2.

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FiGURA 14: trAzADo DE CortE DE tEmpErAturA, quE muEStrA lA viStA

lAtErAl, tAl Como SE obtiEnE pArA El DiSipADor térmiCo nº 2. Como El

propóSito DEl AnáliSiS DE SoliDWorkS® FloW SimulAtion ErA pErmitir

lA ElECCión DE lA mEjor FormA DE DiSipADor térmiCo pArA un Chip

prinCipAl inStAlADo Con otroS ComponEntES ElECtróniCoS En un

AlojAmiEnto ElECtróniCo, y loS rESultADoS muEStrAn unA rEDuCCión

DEl 17,5 por CiEnto En lAS tEmpErAturAS DE loS SóliDoS En El DiSipADor

térmiCo nº 2, DiChA FormA DEmoStró SEr lA mEjor.

Diseño 3: pantalla de un dispositivo médico de succión

En este diseño, el ingeniero de diseño necesita identificar la mejor forma de pantalla para un dispositivo médico de succión, con el objetivo de permitir el caudal de flujo más alto para una determinada succión, limitar la recirculación dentro del dispositivo y también crear el perfil de velocidad más uniforme en el cabezal de succión.

En la Figura 15 se muestra el ensamble del dispositivo, creado con el software CAD de SolidWorks®, incluida una pantalla con cortes triangulares. El flujo entra en el dispositivo a través de un cabezal cónico, fluye a través de la pantalla y baja por el tubo. El diseñador configura el flujo interno en el Asistente de proyectos y define las condiciones de presión de entrada y salida. El objetivo del análisis del SolidWorks® Flow Simulation es determinar el caudal de flujo a una determinada caída de presión para cada uno de los dos diseños de pantalla, uno con cortes triangulares, tal como se muestra en el modelo, y otro con cortes circulares, cuando se instalan en el dispositivo de succión. Aquí, además del caudal de flujo de volumen calculado, el ingeniero utiliza las trayectorias del flujo para mostrar los recorridos que toman las moléculas de aire representativas a través del dispositivo. también podrá crear una animación de las trayectorias del flujo para producir una mejor visualización de los patrones de flujo y áreas de recirculación.

FiGURA 15

El objetivo del análisis de SolidWorks® Flow Simulation es determinar el caudal de flujo a una determinada caída de presión para cada uno de los dos diseños de pantalla.

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Nº 1 y Nº 2: lAS DoS FormAS DE pAntAllA objEto DE EStuDio.

tAblA 3: CAuDAlES DE Flujo volumétriCo CAlCulADoS DE CADA

FormA DE pAntAllA.

FiGURA 16: trAzADoS DE CortE DE prESión pArA CADA DiSEño. loS DoS

DiSEñoS tiEnEn pErFilES DE prESión SimilArES.

FiGURA 17: trAzADoS DE CortE DE vEloCiDAD Con vECtorES DE

vEloCiDAD pArA CADA DiSEño. loS DoS DiSEñoS tiEnEn pErFilES

DE vEloCiDAD SimilArES En El CAbEzAl DE SuCCión.

FiGURA 18: trAzADoS DE trAyECtoriA quE muEStrAn lA zonA DE

rECirCulACión.

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FiGURA 19: trAzADoS DE trAyECtoriA En unA zonA DE rECirCulACión

pArA CADA DiSEño. AunquE loS DoS DiSEñoS tiEnEn rECirCulACión,

lA zonA pArA El DiSEño triAngulAr ES máS grAnDE.

Como se indica arriba, el propósito de este análisis era seleccionar el cabezal de pantalla que mejor funcionará para el dispositivo médico de succión. Los resultados muestran un caudal de flujo un 7,8 por ciento superior cuando se utiliza la pantalla con cortes circulares; ambos diseños tienen perfiles de velocidad razonablemente iguales en el cabezal de succión. Sin embargo, el diseño de corte circular tiene una zona de recirculación más pequeña, por lo que es evidente que proporcionará un rendimiento superior, si se consideran los criterios de diseño originales.

Diseño 4: horno doméstico

En este diseño de un horno doméstico, el ingeniero de diseño puede utilizar SolidWorks® Flow Simulation con el fin de estudiar el patrón de flujo de aire y la distribución de la temperatura, y optimizar el diseño para conseguir que el aire caliente circule de manera uniforme de modo que se logre un horneado uniforme. El programa de dinámica de fluidos por computadora (CFD) permite estudiar la transferencia térmica por conducción, convección y radiación en el horno.

La Figura 20 muestra el modelo del horno hecho con el software CAD de SolidWorks®, con tres bandejas y un pastel en cada una de ellas. El objetivo del análisis de SolidWorks® Flow Simulation es optimizar el flujo de aire calentado, mediante el estudio de la convección natural dentro del horno y la comprobación de la temperatura de superficie final del objeto que se está cociendo. Para hacerlo, el diseñador introduce aire caliente a 120 ºC en la cámara del horno y eleva la temperatura desde los 20 ºC iniciales.

FiGURA 20: moDElo DE horno hECho Con El SoFtWArE CAD DE

SoliDWorkS®, Con trES bAnDEjAS y pAStElES.

El objetivo del análisis de SolidWorks® Flow Simulation es aprender qué diseño de bandeja proporcionará el flujo óptimo de aire caliente mediante el estudio de la convección natural dentro del horno.

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FiGURA 21: tEmpErAturA En lA SupErFiCiE DE loS pAStElES pArA El DiSEño 1.

En la Figura 21 se muestran los resultados de temperatura de la superficie, con un calentamiento irregular del objeto colocado en la pila de bandejas. Como el aire caliente es más ligero que el aire más frío, éste sube a la parte superior y la temperatura disminuye en áreas inferiores.

El ingeniero de diseño utiliza el asistente para configurar una simulación de flujo interno mediante la introducción de la temperatura inicial del horno. Define la velocidad del aire caliente junto con su temperatura en las seis entradas, así como también la condición de presión en la salida. Para visualizar los resultados, el ingeniero puede representar gráficamente la distribución de la temperatura alrededor del objeto que se está cociendo, y para obtener una mejor visualización del flujo de aire puede trazar líneas de las trayectorias de flujo y contornos de velocidad en varias secciones.

SolidWorks® Flow Simulation también puede determinar si el rendimiento del horno será más eficaz si el diseñador añade deflectores de flujo de aire. Además, para optimizar el diseño, el ingeniero puede estudiar tanto la ubicación ideal como el número de entradas de aire caliente en el horno.

FiGURA 22: DiStribuCión y vEloCiDAD DEl AirE En lA bAnDEjA SupErior

AlrEDEDor DEl pAStEl Con El DiSEño 2.

FiGURA 23: DiStribuCión y vEloCiDAD DEl AirE En lA bAnDEjA inFErior

AlrEDEDor DEl pAStEl Con El SEgunDo DiSEño.

Como el aire caliente es más ligero que el aire más frío, éste sube a la parte superior y la temperatura disminuye en áreas inferiores.

SolidWorks® Flow Simulation también puede determinar si el rendimiento del horno será más eficaz si el diseñador añade deflectores de flujo de aire.

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FiGURA 24: trAyECtoriAS DE Flujo En El horno pArA lA bAnDEjA Con

CinCo AbErturAS, Con tEmpErAturAS.

Diseño 5: válvula de control

En este diseño, el ingeniero necesita optimizar el diseño de una válvula de control para una pérdida de presión mínima y también para predecir los posibles problemas de cavitación.

El ingeniero utiliza la dinámica de fluidos por computadora (CFD) para realizar una simulación de flujo de aire interno a través de la válvula. Los resultados ofrecen al ingeniero información detallada del patrón de flujo en dicha válvula mediante los resultados del análisis que muestran las trayectorias de las partículas, la presión y la velocidad del flujo. SolidWorks® Flow Simulation facilita el cálculo de las presiones en las aberturas y a través de todo el modelo, un nivel de información completa que no se puede obtener fácilmente con pruebas físicas debido a la dificultad que supone colocar instrumentos para proporcionar información suficiente acerca de lo que sucede dentro de la válvula.

En la Figura 27 se muestra el modelo de la válvula en 3D, diseñado con el software CAD de SolidWorks®. El ingeniero de diseño configura la simulación con la ayuda del Asistente de SolidWorks® Flow Simulation. Define la velocidad de entrada del aire en la válvula y aplica presión estática equivalente a la atmósfera en la salida.

FiGURA 25: moDElo DE válvulA En 3D hECho Con El SoFtWArE CAD DE

SoliDWorkS®.

SolidWorks® Flow Simulation facilita el cálculo de las presiones en las aberturas y a través de todo el modelo, un nivel de información completa que no se puede obtener fácilmente con pruebas físicas.

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FiGURA 26: En toDo El moDElo SE muEStrA lA DiStribuCión DE lA

vEloCiDAD Con vECtorES grADiEntES.

FiGURA 27: lAS trAyECtoriAS DE vEloCiDAD AyuDAn A EStuDiAr El pAtrón

DE Flujo.

FiGURA 28: El trAzADo DE DiStribuCión DE prESión Con iSobArAS

muEStrA lA poSibiliDAD DE CAvitACión, lo quE DEmuEStrA quE no

ES un problEmA En El CASo DE EStA válvulA DE Control.

El trazado de resultado de presión muestra una pérdida de presión mínima para este diseño de válvula. La presión en la región donde se podría producir la cavitación se convierte en negativa, lo que indica que la válvula no experimentaría la cavitación. Además de los trazados, SolidWorks® Flow Simulation también puede generar una tabla que muestre los valores de flujo en cualquier punto, superficie o volumen dentro del modelo.

Además de los trazados, SolidWorks® Flow Simulation también puede generar una tabla que muestre los valores de flujo en cualquier punto, superficie o volumen dentro del modelo.

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conclusión

Ya sea para el diseño de disipadores térmicos para productos electrónicos, dispositivos médicos de succión, productos de consumo o válvulas de control industrial, los ingenieros de diseño necesitan saber qué diseño es el mejor, al mismo tiempo que evitan los costos y el tiempo adicionales que implica construir demasiados prototipos con el fin de lograr sus objetivos. Las herramientas de simulación de dinámica de fluidos por computadora pueden ayudar a lograr este desafío. SolidWorks® Flow Simulation es una herramienta inteligente y fácil de usar que le permite probar múltiples diseños y escenarios con el fin de estudiar problemas de transferencia térmica y flujo de fluidos, de modo que pueda optimizar su diseño sin gastar tiempo ni dinero en exceso durante el proceso.

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