ICEMM: Simulación CFD para hidráulica y lámina libre

¿Qué es la simulación CFD y por qué es relevante en hidráulica?

La simulación CFD permite modelar el comportamiento de fluidos bajo diferentes condiciones de operación y configuraciones geométricas. Su aplicación en hidráulica ayuda a predecir cómo responderá un sistema ante cambios en el caudal, en el diseño de estructuras hidráulicas o en las condiciones ambientales. La simulación de lámina libre es un campo particular dentro de la simulación CFD que se enfoca en estudiar flujos en los que la superficie del agua está en contacto con el aire y puede cambiar su forma. Con estas simulaciones es posible abordar problemas complejos como el desborde de canalizaciones o la entrada de aire en admisiones de bombeo.

La relevancia de la simulación CFD en el sector hidráulico se debe a su capacidad para mejorar el diseño, reducir costes y minimizar riesgos. El análisis de escenarios mediante simulación CFD puede reducir en gran medida la inversión y tiempo dedicados a los ensayos físicos a escala, aunque estos sigan siendo en muchas ocasiones necesarios al menos en fases finales del diseño. Con la evolución de la simulación numérica, hoy es posible analizar múltiples escenarios con físicas complejas de manera eficiente y precisa en tiempos mucho menores que los requeridos para los ensayos físicos.

Aplicaciones de la simulación CFD de lámina Libre

La simulación CFD de lámina libre tiene un amplio rango de aplicaciones en el sector hidráulico. ICEMM dispone de la tecnología y experiencia necesarias para abordar prácticamente cualquier estudio computacional en este ámbito. Algunas de las aplicaciones más relevantes incluyen:

• Diseño y optimización de infraestructura hidráulica. Los canales abiertos, presas y aliviaderos requieren un diseño preciso para garantizar su eficiencia y seguridad. La simulación CFD permite evaluar cómo se comportará el flujo de agua en diferentes condiciones, asegurando que las estructuras sean funcionales y resistentes a eventos extremos.
• Gestión de inundaciones y drenaje urbano. El estudio de regiones y áreas susceptibles de inundación es un campo de gran relevancia en los últimos años. Mediante CFD, es posible analizar cómo se distribuirá el agua en caso de lluvias intensas, diseñar sistemas de drenaje adecuados y prever zonas vulnerables para tomar medidas preventivas.
• Estudios de hidrodinámica fluvial. Los ríos y estuarios son sistemas dinámicos en los que la CFD ayuda a evaluar la erosión, sedimentación y transporte de contaminantes. Estas simulaciones permiten diseñar medidas para la restauración ecológica y el mantenimiento de cauces fluviales. En esta área existen modelos numéricos específicos para estudiar estos fenómenos.
• Diseño de puertos y obras marítimas. Las estructuras portuarias deben resistir la acción de oleajes y corrientes. La simulación CFD permite predecir la interacción entre las olas y las infraestructuras, optimizando su diseño para minimizar impactos y mejorar la operatividad. Para ello se pueden ajustar varios parámetros de entrada, de forma que se simule el caso de oleaje crítico en la zona.
• Interacción fluido-estructura. La simulación CFD de lámina libre también se usa en proyectos donde el agua impacta contra estructuras, como en el caso de puentes o barreras de contención. Estas simulaciones permiten estudiar fuerzas dinámicas y posibles fallos estructurales. Estas simulaciones también son de utilidad en el estudio de elementos de generación de energías renovables como la mareomotriz.

Tecnologías para la simulación CFD de lámina libre

Las simulaciones CFD en ingeniería hidráulica pueden abordarse mediante diversas técnicas numéricas, cada una con sus ventajas y aplicaciones particulares:

• Método de los volúmenes finitos (FVM). Este enfoque discretiza el dominio en pequeñas celdas y resuelve las ecuaciones de conservación en cada volumen de control. Es ampliamente utilizado en problemas de flujo turbulento y multifásico, proporcionando un equilibrio entre precisión y eficiencia computacional. El método más habitual para incluir lámina libre en las simulaciones se conoce como VOF (volume of fluid).
• Método de los elementos finitos (FEM). El método de elementos finitos permite resolver ecuaciones diferenciales en dominios complejos. Es ideal para estudios de deformaciones estructurales acopladas con flujos hidráulicos.
• Método de hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH). El método SPH es una técnica sin malla que representa el fluido mediante partículas, lo que permite modelar de manera precisa flujos con interfaces en movimientos rápidos, grandes deformaciones y fenómenos de impacto entre agua y estructuras.

Para llevar estas técnicas a la práctica, existen diversas herramientas de software como OpenFOAM y Ansys Fluent (que emplean FVM), DualSPHysics (que implementan SPH) o Flow-3D (especializado en flujos con lámina libre usando el VOF). La elección del software adecuado dependerá de la complejidad y las características del problema, aspectos que siempre evaluamos en ICEMM a la hora de elegir la herramienta con la que abordar un proyecto.

ICEMM, una propuesta de valor

La simulación CFD ha demostrado su utilidad en el campo de la hidráulica y el diseño de infraestructuras con lámina libre. Su capacidad para modelar y predecir el comportamiento del agua en diferentes escenarios la convierte en una herramienta de gran utilidad en el sector, proporcionando una serie de ventajas significativas:

• Optimización de diseño. Se pueden probar múltiples configuraciones sin la necesidad de construir prototipos físicos, ahorrando en tiempos y costes.
• Mayor precisión en las predicciones. Las herramientas CFD permiten evaluar fenómenos complejos con un alto nivel de detalle y en multitud de escenarios.
• Seguridad y fiabilidad. Es posible anticipar fallos estructurales y mejorar la resistencia de las infraestructuras ante eventos extremos.

ICEMM lleva ya 20 años realizando trabajos de simulación y cálculo en distintos sectores industriales donde las técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) son de aplicación. En el sector hidráulico cuenta con experiencia en múltiples proyectos internacionales aplicando simulación CFD junto con otras técnicas de cálculo, como el método de las características para el estudio de transitorios. Para ello dispone de múltiples softwares de simulación que les permiten utilizar las tecnologías más avanzadas de cálculo y proporcionar un servicio eficiente y de calidad.

ICEMM también cuenta con amplia experiencia en estudios estructurales mediante el método de elementos finitos (FEM) que permiten dar un servicio completo a aquellos clientes que requieren estudios en este ámbito. Su enfoque está centrado en el cliente y en las necesidades específicas del proyecto o desarrollo, donde aplica su experiencia y capacidades técnicas para ayudar a obtener un diseño más seguro, eficiente y de máxima calidad con ayuda de la simulación.