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Investigadores de la UPM buscan mejorar las herramientas de simulación aerodinámica

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El proyecto ASIMIA, financiado por el programa Horizonte2020, pretende lograr una nueva generación de herramientas CFD con un alto nivel de exactitud y eficiencia, mediante la utilización de métodos de alto orden.

Investigadores del Centro para Simulación Computacional de la Universidad Politécnica de Madrid (CCS-UPM), liderados por el profesor de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (ETSIAE) Esteban Ferrer, están desarrollando el proyecto de investigación ASIMIA (Advanced High-Order Simulation Methods for Industrial Applications), una innovadora colaboración Universidad-Industria para mejorar la capacidad de predicción de las actuales herramientas de simulación aerodinámica y su utilización industrial.

Actualmente, las herramientas de simulación basadas en la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizan aproximaciones de bajo orden (típicamente de segundo orden). Sin embargo, existen nuevos métodos más eficaces, los denominados métodos de alto orden, que se fundamentan en la introducción de polinomios de alto orden dentro de cada elemento computacional, lo que permite una mejor aproximación a la solución numérica. Al hacerlo, la precisión de la solución mejora y el error numérico disminuye de manera exponencial.

Imagen: Vórtices que se desprenden de un ala a alto ángulo de ataque. La comparativa muestra que usando el método de alto orden las estructuras fluidas (o vórtices) se conservan, mientras que con un código de bajo orden los errores numéricos disipan las estructuras, ofreciendo un flujo poco realista.

“ASIMIA parte de la premisa del gran potencial que tienen los métodos de alto orden para alcanzar una mayor exactitud en cálculos complejos, ya que ello conduce a un mejor proceso de diseño, menores costes y una reducción del tiempo de comercialización para la industria”, explica el profesor Ferrer.

Pero la adecuación de los métodos de alto orden para CFD en la industria todavía requiere de un gran esfuerzo. Es ahí donde este proyecto, coordinado por coordinado por el profesor Charles Hirsch, director de NUMECA (una pyme desarrolladora de software de CFD en Bruselas), tiene que actuar, eliminando algunas de las limitaciones actuales para dar lugar a una nueva generación de herramientas CFD con un alto nivel de eficiencia, robustez y madurez. El horizonte de este proyecto es de 4 años de duración.

Tres industrias implicadas
El CFD es imprescindible en industrias de alta tecnología. Los requisitos industriales basados en prototipos virtuales con la realización de más simulación computacional para así disminuir las pruebas en prototipos físicos, implican la utilización de herramientas numéricas que ofrezcan una avanzada precisión, fiabilidad y capacidad de aumentar la complejidad geométrica y física de los diseños.

Imagen: Álabes de turbina, en régimen turbulento, resuelto con un código de alto orden. Su precisión permite la captura de estructuras turbulentas de múltiples escalas.

Por eso ASIMIA tiene tres socios industriales de tres sectores muy diferentes, pero con un denominador común: todos ellos son reconocidos como altamente innovadores en sus respectivos campos. Por un lado, Airbus, líder en la fabricación de aviones y con una estrecha colaboración tanto con el CCS-UPM como con la ETSIAE, que está interesado en este caso en el desarrollo de métodos numéricos para mejorar las herramientas de simulación destinadas al diseño de aeronaves. Por otro lado, el McLaren F1, uno de los equipos más antiguos e importantes de la Fórmula 1, que busca mejorar el rendimiento de los coches de carreras. Y, por último, Dyson Ltd, la empresa de tecnología británica que diseña y fabrica electrodomésticos, considerada como las más innovadora en su campo gracias a cientos de patentes.

Mucho en lo que innovar
Algunos de los aspectos en los que ASIMIA va a profundizar constituirán estudios innovadores que pondrán a prueba el estado de la técnica con nuevos desafíos: flujos multifase (por ejemplo, aire y agua); adaptaciones para el refinamiento/engrosamiento en flujos complejos; solucionadores iterativos rápidos; adaptación de los modelos de turbulencia para aplicaciones RANS y RANS-LES híbridas; acoplamiento fluido-térmico, y las interacciones fluido-estructura.

 Imagen: Esteban Ferrer es profesor de matemática aplicada e investigador en ETSIAE-UPM, con más de 17 años de experiencia en técnicas numéricas para problemas de fluidos.

Incorporación de doctorandos al proyecto
Otro de los objetivos de ASIMIA es consolidar un programa de formación conjunta de doctorado para fomentar la investigación en la dinámica de fluidos contemporánea y la simulación numérica multifísica. Por ello, en su equipo de investigación se integran 5 estudiantes de doctorado de la ETSI Aeronáutica y del Espacio, que trabajarán los próximos tres años en métodos de simulación y concretamente en una de esas áreas innovadoras que incluye el proyecto. 

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