Computational Fluid Dynamics and Parallel Computing in Engineering

RODRIGO R. PAZ

Córdoba

Simposio; VI Symposium sobre Actualización en Aeronáutica Civil; 2007

Colegio de Ingenieros Especialistas de Córdoba

La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD, por ``Computational Fluid Dynamics´´) es una herramienta que está siendo utilizada en elanálisis y desarrollo de un vasto número de procesos ingenieriles yproductivos, además de consolidarse como un área de investigación en crecimiento. Dicho desarrollo, y su evolución, se da conjuntamente con avances en áreas tales como la del Cálculo Distribuido y   Paralelo (MPP, por ``Massive Parallel Processing´´).  La precisión de las simulaciones de CFD se ven limitadas por los enormes recursos computacionales requeridos tanto en memoria RAM como en tiempo de procesamiento. Una posible solución para este problema es la descomposición del problema en problemas más pequeños, cada uno de los cuales es resuelto en una unidad de procesamiento. Existe un gran esfuerzo por parte de la comunidad de Mecánica Computacional en el desarrollo de algoritmos, solvers de álgebra lineal y precondicionadores para obtener algoritmos rápidos que escaleen apropiadamente en arquitecturas con gran número de procesadores de manera de asegurar el éxito de las simulaciones en CFD.Uno de los desafíos actuales en la investigación de métodos numéricos en mecánica de fluidos computacional acoplado con la mecánica de sólidos es la simulación y estudio de flujos supersónicos e hipersónicos dentro y fuera de toberas de motores cohete y su interacción en las distintas configuraciones que puede experimentar en su funcionamiento. Las cargas periódicas inducidas por la separación del flujo interno, conjuntamente con la estela que producen las cofias de lanzadores y la propia dinámica de las toberas de los motores cohetes influencian fuertemente el diseño de las etapas propulsantes de los vehículos espaciales. Esta  interacción, comúnmente llamada `Acople por Buffeting´ ocurre en una de las etapas mas comprometidas del vuelo de un lanzador, que es la de despegue y ascenso dentro de la atmósfera terrestre. En los últimos años se han llevado a cabo numerosos estudios  experimentales y algunos estudio numéricos para estudiar y evaluar el funcionamiento de los motores Vulcain que equipan al Ariane-V y que verificaron ciertos problemas comprometiendo algunas misiones. El cálculo de flujo de fluidos acoplado con grandes desplazamientos de la estructura es una disciplina de rápido crecimiento que ha ganado mucha atención en los últimos años. Así, la interacción fluido-estructura exhibe diversas áreas de interés práctico.  En el caso de estructuras flexibles, por ejemplo, podemos mencionar el flutter en problemas aeronáuticos, en edificios, plantas de silos y construcciones civiles inducido por la acción del viento, vibraciones por flujos en cañerías de conducción elásticas o por excitación sísmica en reservorios de presas, el diseño de estructuras inflables y la descripción de los procesos que ocurrendentro un motor de combustión interna.  Los modelos numéricosorientados a simular estos fenómenos se distinguen por permitiracoplar el flujo del fluido y la deformación estructural.En el CIMEC se viene desarrollando desde 1998 una herramienta de CFD, llamada PETSc-FEM (url{http://www.cimec.org.ar/petscfem}) basada en el método de los Elementos Finitos (FEM) usando Procesamiento Distribuido y Programación Orientada a Objetos, la cual ha sido utilizada en una gran variedad de aplicaciones tanto a nivel nacional como internacional.