Uno de los procesos más importantes a la hora de realizar una simulación numérica es el mallado, actualmente existen un sin número de malladores comerciales y libres, en otro post hablaremos de ello, sin embargo el más usado (creo yo) es el mallador de ANSYS, el cual permite desarrollar y perzonalizar la malla para evitar errores de no convergencia en el cálculo. Además dentro, de este mallador hay varios tipos (formas) de elementos de malla que podemos usar y combinar (entre algunos de ellos) para adaptar mejor la geometría y reducir el tiempo de cálculo.
Por ello decidimos hacer una prueba con algunas formas de los elementos de malla y así observar la variación de resultados y el tiempo de cálculo que demora en cada caso. Usamos elementos de malla en tres dimensiones con ANSYS CFX y ANSYS FLUENT (más adelante haremos más pruebas con mallas idénticas usando otros softwares de CFD).
Caso analizado:
Simulación de una fase (agua) en una tubería, con activación de energía usando modelo de turbulencia k-epsilón considerando un inflation en la paredes.
Tipos de malla: Tetraédrico, Hexaédrico / Prismático y Poliédrico
Para observar las diferencias de las mallas puedes ver el siguiente video:
Resultados
Luego de realizar el mallado obtenemos lo siguiente:
Observamos que la malla poliédrica es la que contiene una menor cantidad de elementos pero un mayor número de nodos, al contrario de la malla tetraédrica, esto como veremos en las siguientes tablas de resultados afecta directamente en el tiempo de cálculo.
Para el modelo creado los elementos en la malla poliédrica se reducen a menos del 50 % en comparación a la malla tetraédrica. La combinacion de malla hexaédrica y prismática estan en un termino intermedio manteniendo cercano sus valores de nodos y elementos.
Los resultados de la física del problema (temperatura y velocidad) a la salida de la tubería son muy similares para todos los casos, sin embargo la distribución de temperaturas y velocidades es ligeramente diferente en el mallado poliédrico, puedes ver nuevamente el video (mostrado arriba) y ver con mas detalle este punto.
Respecto a la diferencia de los softwares usandos (CFX y FLUENT) notamos que CFX obtiene resultados en menores iteraciones (dejamos en claro que no modificamos los residuos de la convergencia, se mantuvieron estos valores por defecto para ambos softwares), sin embargo, el tiempo de cálculo en CFX es mucho menor con la malla tetraédrica y la combinación de hexaédrica y prismática; hasta este punto CFX para una gran alternativa para reducir el tiempo computacional pero la malla poliédrica (que solo puede generarse en ANSYS FLUENT) disminuye el tiempo de cálculo radicalmente.
Por lo tanto de esta pequeña prueba podemos dar algunos alcances segun lo visto.
- Los elementos de la malla son los que definen la dependencia del tiempo de cálculo.
- El mallado poliédrico otorga un menor tiempo de cálculo en comparación a otros tipos de malla.
- Los resultados físicos del mallado poliédrico son similares a los otros tipos de malla analizados en esta prueba.
Recomendaciones
- Para conocer el error de los resultados es necesario validar la simulación con una prueba experimental que permita conocer que tipo de mallado es el mas adecuado.
- No podemos concluir con esta prueba que un software es más rápido que otro, este solo ha sido un caso en una sola fase, es probable que adicionando más variables o cambiando el modelo de turbulencia los resultados a obtener varíen.