¿Qué es la dinámica de fluidos computacional?

Al ser un texto dirigido a un público en general, evitaré en la medida de lo posible entrar en mayores detalles, manteniendo el objetivo principal: intentar divulgar de manera práctica, y sobre todo, reducida, uno de los temas más complejos en el área de las ingenierías.

    La dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) es un conjunto de métodos 'numéricos', es decir, métodos matemáticos implementados en computadora, que 'resuelven', o mejor dicho, que aproximan las ecuaciones que describen el movimiento de un flujo de fluido bajo ciertas condiciones físicas, por ejemplo, desde el paso del agua por una tubería a fin de obtener los campos de velocidad y presión dentro de las misma, hasta la simulación de la reentrada atmosférica de un vehículo espacial a velocidades 'hipersónicas' (dejémoslo en...muy elevadas), teniendo en cuenta todas las variables implicadas, como la compresibilidad del aire, y en consecuencia su variación en densidad y temperatura. Otros fenómenos complejos como la 'turbulencia' (ya tú sabe' a lo que me refiero...), también pueden ser modelados y resueltos mediante dichos métodos.

Fig. 1 Simulación de un avión de combate mediante dinámica de fluidos computacional. Fuente: https://th.bing.com...

    Pero, ¿cómo lo hace?, es decir, ¿cuáles son las ecuaciones que aproxima la dinámica de fluidos? En términos generales, las ecuaciones en 'derivadas parciales' de Navier-Stokes (N-S), que describen la relación entre densidad, velocidad, presión, viscosidad y temperatura de un fluido sometido a ciertas condiciones y que pueden ser simplificadas para resolver casos más sencillos, por ejemplo, transformándose en las ecuaciones de Euler (para flujos sin viscosidad). Sin embargo, hasta el día de hoy, las ecuaciones de N-S no tienen una solución general exacta, por lo que se utilizan diversas técnicas y métodos matemáticos para aproximarlas desde dos enfoques completamente distintos: el Euleriano y el Lagrangiano, los cuales pueden implementarse en dos o tres dimensiones, es decir, en el plano o en el espacio, dependiendo el problema que se pretenda resolver.

    El enfoque Euleriano es el más utilizado en la actualidad y básicamente consiste en 'discretizar' (subdividir) los alrededores, es decir, el espacio que ocupa físicamente el fluido, mediante una especie de red o malla (ver sig. imagen), bajo la premisa de aproximar un todo como la suma de sus partes. Por el otro lado, el enfoque Lagrangiano consiste en seguir la evolución en el tiempo de cada partícula de fluido (no necesariamente a nivel molecular) a través del espacio en el que se mueve, teniendo en cuenta la variación de sus propiedades, considerando su interacción con las partículas restantes. Ambos enfoques ofrecen ventajas y desventajas, aunque en términos computacionales, el segundo ofrece menores tiempos de cálculo para un mismo tipo de simulación, sin embargo, y a pesar de que esta sea la forma más natural e intuitiva de entender el problema, el primero lo aventaja, ya que se encuentra algunas décadas más avanzado en su desarrollo, por lo cual, tiene una gama más amplia de aplicaciones.

Fig.2 Simulación termo-aerodinámica a una semi-ala en flujo transónico (C. Pimentel y L. Jiménez, 2018).

    Y a todo esto, ¿cuáles son las ventajas que ofrece la simulación de fluidos mediante computadoras? Es cierto que algunas simulaciones mediante CFD pueden consumir gran cantidad de recursos computacionales, por ejemplo, algunas requieren supercomputadoras con cientos o miles de núcleos de procesamiento, trabajando de manera continua durante semanas ¡e incluso meses para resolver una sola simulación!, sin embargo, en la mayoría de los casos, sigue siendo la única forma de obtener resultados aceptables bajo el supuesto de que su implementación física es prácticamente imposible de realizar o incluso más costosa en términos económicos.

    Actualmente, el CFD es utilizado en una amplia gama de industrias, que van desde la hidráulica, pasando por la automotriz y aeronáutica, y terminando en la aeroespacial, abarcando desde el diseño conceptual hasta el de detalle. Es por eso que esta técnica computacional se encuentra en continuo desarrollo, intentando mejorar sus códigos y programas actuales, a fin de hacerlos más eficientes y fiables. Pero, ¿qué tan complicado es llegar a ser programador de CFD? ¿Por dónde se debe comenzar? ¿se debe ir directamente a los libros, a la teoría y a revisar códigos, o piensas que se debe tener alguna experiencia experimental previa?

"Absolutamente todo parece más complicado de lo que realmente es, hasta que lo llevas a cabo." CP