Asignaturas - Master 215801

La asignatura de Mecánica de Fluidos Computacional es una asignatura optativa impartida en el primer semestre del Máster en Física Avanzada. Esta asignatura se encuadra dentro de la especialidad de Física de Fluidos ofertada en el Máster, tiene 6 créditos ECTS (25h/crédito) y no incluye prácticas de laboratorio.

La imposibilidad de resolver de manera analítica las ecuaciones de Navier-Stokes, excepto en unos pocos casos particulares, es una cuestión bien establecida en la actualidad. La gran dificultad matemática que presentan las ecuaciones de la Mecánica de Fluidos es consecuencia de su carácter no lineal, así como del relativamente elevado número de variables independientes que entran en juego en las aplicaciones prácticas, donde con frecuencia es preciso resolver problemas inestacionarios dependientes de tres dimensiones espaciales, definidos sobre un dominio con geometría no trivial. Esta dificultad, unida a la enorme trascendencia de la Mecánica de Fluidos en multitud de aplicaciones industriales y/o científicas, ha motivado el desarrollo de numerosos métodos numéricos especialmente diseñados para resolver este tipo de ecuaciones. En la actualidad la gran potencia computacional disponible hace que la Mecánica de Fluidos Computacional, o CFD por sus siglas en la literatura en inglés, sea una herramienta habitual en el desarrollo de aplicaciones de interés tecnológico y/o científico en diversos campos (energía, transporte, dinámica atmosférica, oceánica, geofísica, salud, etc.), permitiendo realizar simulaciones extraordinariamente precisas sobre fenómenos que hasta hace no demasiado tiempo solo era posible estudiar con detalle de forma experimental.

Esta asignatura tiene un carácter eminentemente práctico. En ella se presenta por un lado una revisión de los métodos numéricos más comunmente empleados para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes en aplicaciones prácticas, centrándonos en particular en el método de los volumenes finitos, debido a su idoneidad para aplicaciones en geometrías complicadas. En este sentido estudiaremos los fundamentos de este método, junto con las relaciones de conservación responsables de su estabilidad numérica. A continuación estudiaremos la implementación y uso de este método numérico para la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes en el paquete de CFD de código abierto más extendido en la actualidad: OpenFOAM (https://www.openfoam.com).

La asignatura de Mecánica de Fluidos Computacional del Máster de Física Avanzada nos permitirá aprender a plantear y resolver problemas fluidodinámicos en geometrías complicadas por medio del método de los volúmenes finitos, haciendo uso de la colección de bibliotecas disponibles en el paquete de CFD OpenFOAM, incluyendo la definición de la geometría en problemas en 2D y 3D y la implementación de condiciones iniciales y de contorno. También aprenderemos a programar el cálculo de magnitudes de interés ligadas a la simulación en curso (fuerzas, vorticidad, etc.). Por otra parte aprenderemos a visualizar los resultados obtenidos por medio del software ParaView (https://www.paraview.org/), especialmente orientado a su uso conjunto con OpenFOAM.

Como es habitual en cualquier campo científico avanzado, en la actualidad la bibliografía sobre mecánica de fluidos computacional está escrita en lengua inglesa, de manera que es fundamental contar con un buen nivel en lectura y comprensión de textos científicos en inglés.

Las ecuaciones de Navier-Stokes son un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Dado que esta asignatura versa sobre métodos numéricos orientados a resolver las ecuaciones de Navier-Stokes, para cursar esta asignatura es fundamental contar con conocimientos sobre ecuaciones diferenciales, tanto en derivadas parciales como ordinarias, así como algunos temas de análisis funcional (principalmente análisis de Fourier). Estos temas se estudian (p. ej.) en las asignaturas de Métodos Matemáticos del Grado en Física.

La mecánica de fluidos computacinal es un tema avanzado dentro de la materia de mecánica de fluidos, por tanto, para cursar esta asignatura es fundamental contar con conocimientos generales sobre dinámica fluidos, como los que se obtienen (p. ej.) en la asignatura de Física de Fluidos del Grado en Física.

Finalmente, esta asignatura tiene un carácter eminentemente práctico, orientado a la programación y uso de diversos algoritmos numéricos, por tanto se requiere haber cursado previamente asignaturas de Física Computacional o programación (recomendable conocimientos sobre C/C++), así como estar familiarizado con el uso de ordenadores a nivel de usuario avanzado. Aunque no es necesario para la asignatura, es recomendable contar con conocimientos sobre Sistema Operativo Linux, al menos a nivel de usuario.

Para resolver dudas y/o consultas pueden ponerse en contacto con cualquiera de los profesores de la asignatura, bien por correo electrónico o telefónicamente (en este caso preferentemente los lunes de 4 a 8 de la tarde). También pueden dejar un mensaje en el contestador automático del departamento (91 398 7130).

Manuel Arias Zugasti

E-mail: maz@dfmf.uned.es

Teléfono: 91 398 7127

Horario: principalmente Lunes: 16-20 h

Pablo Martinez-Legazpi Aguilo

E-mail: legazpi.pablo@ccia.uned.es

Teléfono: 91 398 9851

Horario: principalmente Lunes: 16-20 h

CG1 Comprender conceptos avanzados de física y demostrar, en un contexto de investigación científica altamente especializada, una relación detallada y fundamentada entre los aspectos teóricos y prácticos y la metodología empleada en este campo.

CG2 Elaborar un trabajo escrito con datos bibliográficos, teóricos y/o experimentales, escribiendo un resumen o articulado en extenso (tal y como se realizan los artículos científicos), formulando hipótesis razonables, composiciones originales y conclusiones motivadas.

CG3 Comunicar con claridad y rigor los resultados de un trabajo de investigación de forma tanto oral como escrita.

CG4 Utilizar bibliografía y fuentes de información especializada, propias del ámbito de conocimiento de la física, manejando las principales bases de datos de recursos científicos.

CG5 Poseer la capacidad para el desarrollo de una aptitud crítica ante el aprendizaje que le lleve a plantearse nuevos problemas desde perspectivas no convencionales.

CE3 Modelizar sistemas de alto grado de complejidad. Identificar variables y parámetros relevantes y realizar aproximaciones que simplifiquen el problema. Construir modelos físicos que describan y expliquen situaciones en ámbitos diversos.

CE6 Resolver problemas algebraicos, de resolución de ecuaciones y de optimización mediante métodos numéricos.

CE8: Modelar y simular fenómenos físicos complejos por ordenador.

CE10 Comprender las propiedades cualitativas de las soluciones a las ecuaciones de la física (sus tipos, estabilidad, singularidades, etc.) y su dependencia de los parámetros que definen un sistema físico.

CE12 Analizar críticamente resultados experimentales, analíticos y numéricos en el campo de la física avanzada.

• Conocer las principales técnicas de la Mecánica de fluidos computacional.
• Saber simular flujos sencillos mediante programación.
• Saber simular flujos avanzados mediante el uso de software específico de CFD.
• Saber interpretar los resultados y discriminar soluciones erróneas o insuficientemente convergidas.
• Comprender la física de los problemas planteados y de los resultados.
• Seleccionar críticamente las mejores herramientas para resolver un problema dado.

La docencia se impartirá principalmente a través de un curso virtual dentro de la plataforma educativa de la UNED. Dentro del curso virtual los estudiantes dispondrán de:

1. Página de bienvenida, donde se indica el concepto general de cada una de las asignaturas que componen el módulo y se presentan a los docentes.
2. Materiales:
   • Guía del curso, donde se establecen los objetivos concretos y los puntos de interés.
   • Programa, donde se especifica la división del contenido por capítulos.
   • Recursos, donde se proporciona el material necesario para el estudio, incluyendo referencias a artículos fundamentales en el desarrollo de la disciplina.
3. Herramientas de comunicación:
   • Correo, para la consulta personal de cuestiones particulares del alumno.
   • Foros de debate, donde se intercambian conocimientos y se resuelven dudas de tipo conceptual o práctico.
   • Plataforma de entrega de trabajos obligatorios y herramientas de calificación.
4. Actividades y trabajos: Dentro del Curso virtual se llevarán a cabo las siguientes:
   • Participación en los foros de debate.
   • Pruebas de evaluación continua en línea, al final de cada bloque del temario.

Fuera del curso virtual el estudiante también tendrá acceso a realizar consultas al equipo docente a través del correo,  teléfono y presencialmente en los horarios establecidos para estas actividades. También se pueden organizar videoconferencias coordinadas con los distintos Centros Asociados, si las necesidades docentes lo hicieran preciso.

La bibliografía básica del curso puede descargarse de forma gratuita de las siguientes direcciones:

Notes on Computational Fluid Dynamics: General Principles

The OpenFOAM® Technology Primer

Introduction to theoretical and computational fluid dynamics

C. Pozrikidis author

Second edition. New York : Oxford University Press 2011

ENLACE BIBLIOTECA UNED:

https://buscador.biblioteca.uned.es/permalink/f/ke8o8l/34UNED_ALMA51179744680004215

El texto básico del curso sobre mecánica de fluidos computacional es el libro:

Notes on Computational Fluid Dynamics: General Principles,
autores: Christopher J. Greenshields y Henry G. Weller

disponible en https://doc.cfd.direct/notes/cfd-general-principles/

El texto básico sobre OpenFOAM es:

The OpenFOAM Technology Primer,  
autores: Kyle G. Mooney, Jens Höpken, Tomislav Maric

disponible en http://dx.doi.org/10.13140/2.1.2532.9600

El paquete de CFD OpenFOAM está disponible en su espacio en la web:

https://www.openfoam.com/

desde ahí se puede acceder a la página de descarga del paquete pre-compilado para diversos sistemas operativos, código fuente, documentación, etc.

El paquete de visualización de flujos ParaView está disponible en:

https://www.paraview.org/

desde donde se puede acceder a la página de descarga, documentación, etc.