Simulación de Flujos Supersónicos Bidimensionales y Axialmente Simétricos con OpenFOAM

Abstract

El exponencial crecimiento de la capacidad de cálculo computacional y el continuo desarrollo de esquemas numéricos han hecho de las simulaciones numéricas una importante herramienta para el estudio del comportamiento de los fluidos. Una alternativa para afrontar un problema mediante la Mecánica de los Fluidos Computacional es utilizar paquetes de libre distribución tales como OpenFOAM®, el cual ha tenido gran difusión y aceptación en los últimos años. En el presente trabajo se ponen a prueba las capacidades y limitaciones de OpenFOAM® en la resolución de la estructura de flujos transónicos y supersónicos en torno a geometrías bidimensionales y con simetría axial, que son de interés para una gran variedad de aplicaciones prácticas, a saber: la cuña bidimensional y el cono circular paralelo a la corriente. A estos efectos, se pone especial atención en la generación de las mallas donde la densidad de éstas se define mediante experimentos de convergencia. Se compara el desempeño de dos solvers incluidos en el paquete, sonicFoam y rhoCentralFoam, siendo este último el que posee mejores prestaciones por lo cual es utilizado para realizar simulaciones de flujo cónico dentro de un amplio rango de números de Mach. Con base en los resultados obtenidos se concluye que OpenFOAM® ofrece un conjunto de herramientas no sólo prácticas sino también confiables para el estudio del tipo de flujos considerado.

The computational power growth and the continuous development of numerical schemes have become numerical simulations a valuable tool in the study of fluids behavior. One choice to face a problem through the Computational Fluid Dynamics is the usage of free software packages such as OpenFOAM®, which has had remarkable diffusion and acceptation in the last times. In this paper, OpenFOAM® capabilities for the simulation of transonic and supersonic flows are tested using meaningful 2D and axially symmetric 3D geometries, i.e., the two-dimensional wedge and the sharp circular cone at zero angle of attack. For this purpose, special attention is paid to the mesh generation where the meshes densities are established through convergence tests. A comparison between two solvers included within the package, sonicFoam and rhoCentralFoam, is made. Better results were obtained with the later, therefore it is used to carry out several conical flow simulations considering a wide range of Mach numbers. From the achieved results, it is asserted that OpenFOAM® provides a set of practical and reliable tools for the study of transonic and supersonic flows.