Implementación y verificación de un solucionador CFD bidimensional en Python para problemas difusivos y flujos forzados laminares
DOI:
https://doi.org/10.37636/recit.v9n3e460Palabras clave:
Dinámica de fluidos computacional, Método de volumen finito, Algoritmos SIMPLE-ADIResumen
La dinámica de fluidos computacional (CFD) permite predecir el comportamiento de fenómenos físicos en diversos sistemas de índole académica e industrial. En México, su aplicación ha tomado relevancia en la investigación de edificaciones energéticamente eficientes ante las consecuencias del calentamiento global. El objetivo de este trabajo es desarrollar y verificar un solucionador CFD bidimensional implementado en el lenguaje de programación Python, basado en el método de volumen finito, capaz de resolver ecuaciones difusivas y las ecuaciones de Navier-Stokes en régimen laminar, así como evaluar su desempeño computacional. La solución numérica de las ecuaciones gobernantes discretizadas se realiza mediante un método de direcciones alternantes (ADI) basado en Gauss-Seidel en línea (LGS-ADI). El primer caso de estudio corresponde a la solución de la ecuación de conducción de calor en estado estacionario en un bloque sólido. El segundo caso consiste en la simulación de un flujo laminar en una cavidad cuadrada llena de aire, impulsado por una velocidad impuesta en la tapa superior, con un número de Reynolds de 1000. En este caso se implementa el algoritmo SIMPLE para el acoplamiento presión-velocidad y se emplean mallas desplazadas para el campo de velocidades. Las simulaciones se realizan sobre una malla uniforme de 150x150 celdas, utilizando inicialmente un esquema upwind de primer orden y, posteriormente, un esquema híbrido para reducir la difusión numérica. Los resultados reproducen las estructuras características del flujo, como la formación de dos vórtices en las esquinas inferiores de la cavidad, y muestran concordancia con la solución de referencia. Los errores relativos porcentuales obtenidos en los casos de verificación son menores a 4.70%. En comparación con un solucionador basado en el método clásico de Gauss-Seidel, el algoritmo ADI con solución mediante el método de Thomas reduce el tiempo de procesamiento en 61.92% para el problema difusivo y en un máximo de 15.04% para el problema de flujo forzado, diferencia atribuible a la naturaleza no lineal de este último. Este trabajo contribuye al desarrollo de código propio para el modelado numérico mediante CFD.
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