5 ejemplos de curiosas aplicaciones de las herramientas CFD

Decir que la tecnología CFD es cada vez más aplicada a un mayor número de campos en la industria tecnológica no es nada nuevo. Desde hace décadas, el CFD se ha utilizado en la industria aeroespacial, aeronáutica, naval, automovilística y manufacturera en general. Tradicionalmente, los estudios CFD (y FEM) se han utilizado para realizar cálculos fluido-dinámicos, térmicos, de fenómeno de transporte, estructurales… aplicados a multitud de elementos industriales.

En los últimos años, la realización de estudios CFD ha crecido de forma exponencial, de manera que hoy en día se aplican a elementos de todo tipo. En esta entrada al blog citaremos algunos de ellos y veremos por qué resultan de utilidad en cada campo en cuestión.

Evaluación de tensiones en la mandíbula humana.

En medicina y bioingeniería en general, el CFD es ampliamente utilizado para la obtención de información del comportamiento humano frente a ciertas circunstancias o el diseño de prótesis. Dentro de este amplio campo, y más concretamente en el de la odontología, podemos citar el estudio denominado “Simulación y evaluación de tensiones en la mandíbula humana” de Orlando Pelliccioni y Miguel Cerrolaza realizado en 2017.

En dicho estudio evalúan, mediante elementos finitos, las tensiones y deformaciones que sufren la articulación temporomandibular y la mandíbula al realizar patrones de mordida típicos del ser humano. El estudio deriva en interesantes conclusiones acerca del patrón de mordedura unilateral.

Análisis de las aspas en UAV.

En materia de drones y vehículos aéreos no tripulados, los estudios CFD también están cobrando cada vez mayor presencia gracias a la versatilidad de estos para optimizar diseños. En este caso citaremos a la publicación denominada “CFD Analysis of two and four blades for multirotor Unmanned Aerial Vehicle” de Héctor Guillermo Parra, Victor Daniel Angulo y Elvis Eduardo Gaona de 2018.

En este caso, utilizan las herramientas CFD para analizar los campos de velocidades y presiones, así como la energía cinética turbulenta y la vorticidad de un UAV cuando este presenta aspas formadas por 2 o por 4 palas. De esta forma pueden analizar qué ventajas e inconvenientes presenta una configuración frente a la otra.

Propagación de ondas de explosiones.

El uso del CFD también tiene cabida en materia de análisis de explosiones. Este es un campo donde realizar medidas experimentales suele tener un coste muy alto y no suele ser viable realizarlas a gran escala dada la peligrosidad de esta fenomenología. Bien es cierto que existen modelos teóricos para analizar explosiones y normativa específica de diseño para prevenirlas, el CFD es una herramienta que aplicada a este campo puede complementar dichos modelos teóricos.

Como ejemplo de aplicación citaremos al estudio “Using Computational Fluid Dynamics (CFD) for Blast Wave Propagation under Structure” de Arif S. M. Sohaimi y sus colaboradores de 2016 que comparan los resultados de explosiones experimentales con las simuladas por CFD.

Evaluación de la probabilidad de contagio de Covid-19.

Un campo de plena actualidad donde el uso del CFD está siendo muy útil es el análisis de la propagación del COVID-19. En este campo se han podido observar simulaciones de todo tipo en los últimos meses, bien para determinar la efectividad de las mascarillas al realizar simulaciones con o sin estas; determinar la distancia mínima de seguridad al simular una persona respirando frente a otra mientras camina; determinar la diseminación del virus en un local con diferentes condiciones de ventilación y un largo etcétera.

En este caso como ejemplo concreto citamos a la noticia publicada por el instituto universitario de investigación en ingeniería de Aragón “Simulación numérica de la probabilidad de contagio de COVID-19 usando CFD”.

En dicha publicación se observa como determinan la probabilidad de contagio en un aula de enseñanza universitaria donde existe una persona contagiada en diferentes condiciones de ventilación, además de analizar como varía la probabilidad de contagio cuando la persona infectada es alumno o profesor.

Elementos presentes en nuestro día a día.

Finalmente nos gustaría hacer mención a aquellos estudios CFD aplicados a elementos que nos encontramos en cualquier casa hoy en día y que no por ello no son dignos de estudio.

Un ejemplo de esto podría ser el propio caso de estudio de ventilación de un pc que aparece en otra entrada de nuestro blog o el estudio fluido-dinámico de un inodoro.

En relación con este último, el artículo “Using CFD in the Design Process of a Toilet Bowl” de António Gameiro Lopes y Victor Costa de 2018 es un gran ejemplo de optimización de inodoros.

En él, llevan a cabo una primera fase de validación/calibración entre simulación y pruebas experimentales de un inodoro base y luego realizan la simulación de un inodoro optimizado donde consiguen un diseño con una distribución de agua más uniforme que desemboca en una tasa de descarga más baja. 

Por supuesto, todo esto es solo una pequeña muestra de aplicaciones del CFD. Hoy por hoy la versatilidad que ofrece el uso de técnicas por elementos finitos es tan alta que puede ser aplicada a miles de elementos cuya fenomenología física se desee conocer.