Lo que no le enseñaron sobre transferencia de calor

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sobre transferencia de

calor

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Introducción

El calor, como la mayoría de las cosas, prefiere la vía que le oponga la menor resistencia. Pero no es bienvenido en cualquier parte. En ocasiones, el calor es el enemigo, como puede ser en el diseño de productos electrónicos de consumo, en los que deben colocarse potentes chips en espacios cada vez más reducidos. El calor que genera un producto electrónico debe eliminarse de su carcasa para que no se acumule y dañe los componentes internos. En el caso de los teléfonos inteligentes, el ingenio de los diseñadores los ha llevado a tener en cuenta que nuestro cuerpo puede actuar como disipador térmico; mientras utilizamos el teléfono, el calor se transmite hacia fuera por conducción a través del contacto con nuestro cuerpo.

Hoy en día, los ingenieros de diseño se enfrentan a una complejidad de los productos cada vez mayor, lo que supone un gran reto. Los productos manufacturados se están convirtiendo en complejos sistemas de componentes mecánicos, electrónicos y de software, que implican varias disciplinas de ingeniería. El número cada vez mayor de componentes, junto a la miniaturización, requiere una mejor comprensión de cómo esos componentes interactuarán al tiempo que se garantiza que no se sobrecalienten. Para añadir un nivel de complejidad adicional, a menudo los productos se comercializan y venden con diferentes configuraciones, y los ingenieros de diseño deben entender el rendimiento de cada configuración.

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El calor y su comportamiento son complejos. A menudo, se aplican reglas generales a la visualización de la trayectoria del calor durante el proceso de diseño o de creación de prototipos físicos, pero resulta complicado saber cómo se mueve el calor, a qué velocidad y en qué dirección. Por ello, el software actual de modelado y simulación, basado en el diseño, utiliza la dinámica computacional de fluidos (CFD), algo fundamental para entender el flujo de calor y su correcta canalización sin necesidad de construir y probar tantos prototipos físicos, lo que ahorra dinero y tiempo.

El mejor ROI se consigue con una simulación

temprana: Análisis térmico anticipado en el proceso de diseño

El software CFD es complejo y puede resultar difícil aprender a utilizarlo, de modo que, tradicionalmente, su uso se ha relegado a la fase final de comprobación de los prototipos por parte de los expertos y especialistas en CFD. Sin embargo, probar un diseño en la fase de prototipo supone una gran inversión. De acuerdo con un informe de Lifecycle Insights [1], en esta fase, los diseños fallidos llevan a pérdidas de hitos de proyecto, más rondas de ensayos y más horas de trabajo. Varias encuestas realizadas por analistas del sector y proveedores de CAE sugieren que las empresas con más éxito evalúan el rendimiento de sus diseños en las primeras etapas del proceso de desarrollo. De igual manera, promocionan de manera activa la colaboración y el intercambio de conocimientos entre expertos y diseñadores.

Reducir el coste del cambio y hacer espacio a reducciones de coste proporcionan el mayor retorno de la inversión (imagen 1) [2]. El profesor Martin Eigner acuñó el término genérico de «frontloading» para el uso de una amplia variedad de herramientas de simulación de software, incluyendo CFD, en las primeras etapas del proceso de diseño [2].

Cómo la CFD anticipada ha cambiado el proceso de diseño

Hace unos 20 años, se introdujo el análisis de tensión para las primeras fases de diseño. Rápidamente se convirtió en un paso fundamental en el proceso de desarrollo. A día de hoy, todas las herramientas de software MCAD ofrecen simulación de tensión a nivel de

diseño. No obstante, la simulación de tensión anticipada y los análisis durante las primeras fases de diseño no hicieron que los fabricantes dejaran de llevar a cabo simulaciones durante la validación. La simulación se convirtió en un método mediante el cual se examinaban las tendencias. Así se rechazaban las ideas de diseño menos atractivas.

Al contrario de lo que ocurre en la fase de verificación, la velocidad es clave durante la de diseño. Los ingenieros necesitan simular antes y además mantenerse al ritmo de los cambios de diseño. Al repetirlo de forma rápida, los ingenieros pueden rechazar las ideas menos atractivas e innovar más. Una vez que se ha explorado el diseño y se identificado como viable, puede continuar en la fase de verificación.

Esta práctica se ha extendido a otras áreas, incluyendo el análisis CFD. Ahora tenemos herramientas CFD pensadas para diseñadores que están vinculadas de manera integral y conveniente con herramientas CAD. Con la combinación de estas herramientas, se puede crear un gemelo digital prototípico, es decir, una representación virtual del producto.

Las ventajas de la CFD anticipada integrada en CAD incluyen:

• Adaptarse mejor a los requisitos del producto (por ejemplo: menos peso, más velocidad, comportamientos complejos, etc.)

• Evitar retrasos y costes de desarrollo (por ejemplo: reducir pruebas y prototipos, peticiones de cambio, etc.)

• Satisfacer las obligaciones contractuales del cliente o los requisitos normativos

• Reducir los costes del ciclo de vida del producto • Minimizar los costes de producción

Por qué los diseñadores necesitan realizar simulaciones y análisis térmicos dentro de CAD Los programas de software CFD tradicionales generalmente constan de varias interfaces: una para preprocesamiento, otra para solución y la última para posprocesamiento. Asimismo, tienden a tener sus propias interfaces, que no están integradas en los programas CAD. En el mejor de los casos, ofrecen traductores de datos

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para pasar modelos del software CFD a CAD. Cada vez que un modelo tiene que ser analizado, se preparan los datos y se exportan fuera de CAD para ser importados a la herramienta CFD, donde el modelo puede «prepararse» para su uso.

De igual manera, están repletos de tecnología que requiere una formación avanzada, razón por la cual se asignan estas tareas a analistas expertos. Por ejemplo, las herramientas CFD más tradicionales son compatibles con varios tipos de malla. El ingeniero debe saber cuál es la más apropiada para la aplicación específica. Además, deberá trabajar en ella hasta que consiga una malla óptima para el modelo y la aplicación. En resumen, el uso de herramientas CFD tradicionales puede exigir mucho tiempo y es más lento que el idóneo durante la fase de diseño. Como resultado de esta especialización, el trabajo de análisis de los aspectos térmicos del diseño que afectan a la operación de producto se ha separado de los departamentos de diseño y desarrollo. Con todo, este enfoque, que exige un trabajo intensivo, a menudo ha dado lugar a resultados incompletos limitados a lecturas en ubicaciones específicas, de manera que la comprensión y la caracterización del comportamiento térmico subyacente resultaban complicadas.

Por el contrario, las soluciones CFD basadas en el diseño: • Deben estar totalmente integradas en CAD: Se puede acceder fácilmente a estas herramientas dentro del programa CAD, y usan la misma geometría nativa para el análisis. Exportar datos para preparar análisis ya no es necesario. Además, el software simplemente funciona, no hay necesidad de aprender a usar una interfaz nueva. El análisis CFD es simplemente otra funcionalidad que ofrece el paquete CAD.

• Automatización añadida: Los programas CFD integrados en CAD requieren una automatización inteligente incorporada para un análisis más fácil, rápido y preciso. Por ejemplo, por lo que respecta a los análisis de transferencia de calor, a veces el diseñador se interesa por comprender lo que está pasando en el espacio negativo, el espacio vacío donde se encuentran los fluidos. Con la CFD tradicional, se tiene que crear geometría adicional para representar esta cavidad. Por otro lado, las soluciones CFD basadas en diseño son lo suficientemente inteligentes para reconocer que ese espacio vacío es el dominio del fluido, por lo que no se pierde tiempo creando

geometría para acomodar el software. Con esta nueva generación de herramientas CFD, el paso intermedio es innecesario.

• De igual manera, antes de que empiece el análisis, se tiene que mallar el modelo. Con la CFD tradicional, el ingeniero debe estar informado sobre qué método de mallado representa mejor el fenómeno de fluidos. La CFD pensada para diseñadores utiliza un mallador totalmente automatizado que generará automáticamente la mejor malla para el problema. • Combinación de velocidad y precisión: Las soluciones

CFD que se pueden utilizar en los programas CAD y anticiparse al proceso de diseño reducen significativamente el tiempo de análisis: algunas empresas han llegado a notificar una reducción del tiempo de hasta un 75 %. Esto se ha conseguido gracias a la automatización y a la necesidad ahora mínima de preparar modelos y preprocesarlos.

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Solución CFD integrada en CAD

El software Simcenter FLOEFD™ está integrado en conjuntos de herramientas MCAD, como CATIA® V5, Creo™ Elements/Pro™, NX y Solid Edge. Proporciona un entorno completo para la evaluación de la transferencia de calor y el flujo de fluidos. Todas las fases del análisis están en un único paquete, desde el modelado de sólidos hasta la configuración de los problemas, su resolución, la visualización de los resultados, la optimización del diseño y la generación de informes.

Con Simcenter FLOEFD, los diseñadores pueden centrarse en el análisis de detalles de la distribución de temperatura en las áreas fluidas y sólidas de sus productos. Se pueden ejecutar escenarios hipotéticos para analizar procesos físicos complejos, como la conducción, la convección y la transferencia de calor conjugada entre fluidos, los materiales sólidos relacionados, la radiación y el efecto

Joule, entre otros, para, a continuación, modificar y optimizar rápidamente la geometría del diseño en una herramienta MCAD (imagen 2).

Simcenter FLOEFD resuelve los tres modos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación), en 3D, de modo que se puede utilizar para analizar una gran cantidad de aplicaciones. Las aplicaciones habituales de análisis de temperatura incluyen intercambiadores de calor, enfriamiento de moldes de inyección, torres solares, sistemas láser y diseño de frenos, entre otros. Por ejemplo, un diseñador puede comprobar la eficiencia de la parte térmica de un intercambiador de calor, pero también prever una bajada de presión a través del mismo. Al combinar estos parámetros en un único modelo, es posible diseñar un producto de más calidad y más rápido.

Imagen 2: Simcenter FLOEFD está integrada en programas MCAD. Simcenter FLOEFD para NX

Simcenter FLOEFD para Solid Edge

Simcenter FLOEFD para PTC Creo

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Para utilizar el software Simcenter FLOEFD, solo necesita instalarlo en el sistema MCAD y disponer de la física del producto. Todos los menús y comandos necesarios para ejecutar un análisis de flujo CFD completo están instalados en los menús CAD. Por norma general, la mayoría de los diseñadores pueden empezar a utilizar Simcenter FLOEFD en sus diseños en menos de ocho horas de formación.

El punto de partida de cualquier análisis de transferencia de calor es la definición de las condiciones de contorno generales del problema. Simcenter FLOEFD ofrece un asistente que guía a los usuarios a través del proceso de configuración, incluida la selección de las propiedades de material. Simcenter FLOEFD permite el uso de los modelos MCAD existentes para el análisis, sin necesidad de tener que exportar o importar ninguna geometría adicional.

El conjunto incorporado de herramientas de Simcenter FLOEFD puede usar geometrías de CAD en 3D existentes o recién creadas y la información del modelo sólido para simular diseños en condiciones reales.

Una vez se ha creado un proyecto y se han aplicado las condiciones de contorno, el modelo debe mallarse; es decir, se debe crear una red computacional. El desarrollo de una malla es una de esas habilidades que se dejaba en manos de los especialistas en CFD. Simcenter FLOEFD crea mallas automáticamente en unos minutos. La CFD integrada en el programa CAD crea una malla adaptable que reduce el tamaño de la celda cuando es necesario, aumentando la resolución del análisis, con el fin de garantizar resultados de simulación más precisos en áreas complejas del modelo (imagen 3).

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Ejemplo de diseño: Resolución de desafíos avanzados de transferencia de calor

Al analizar la transferencia de calor, es importante crear una malla que capte la geometría compleja del sistema o el dispositivo. La malla es un concepto simple, aunque es la base de los cálculos de CFD más complejos. La superficie del dispositivo se mapea en celdas rectangulares minúsculas, cada una de las cuales se divide en volúmenes sólidos y fluidos que se analizan de manera discreta. A continuación, el proceso desarrolla un resultado compuesto que integra todas las celdas. Simcenter FLOEFD permite visualizar lo que ocurre en una disipación térmica del diseño, de modo que proporciona información valiosa que se puede aplicar a la toma de decisiones. Así, el diseño se puede interrogar de manera más exhaustiva.

Una manera de examinar el campo de temperatura es utilizar un corte de sección, que representa la distribución de la temperatura en un plano del modelo (imagen 4). El corte de sección puede mostrarse con cualquier

parámetro de resultados y la representación puede crearse como un ploteo de contorno, como isolíneas o

vectores de velocidad. Además de los cortes de sección, se puede mostrar fácilmente una superficie en cualquier cara, así como automáticamente para todo el modelo. La solución de los problemas de distribución del calor es un proceso iterativo. Una vez comprobados los resultados del análisis inicial, la mayoría de los diseñadores

quieren modificar sus modelos para explorar diferentes escenarios. Simcenter FLOEFD facilita llevar a cabo estos análisis de hipótesis. Se puede explorar diseños alternativos, detectar fallos en el diseño y optimizar el rendimiento del producto antes de crear diseños de detalle o prototipos físicos. Esto permite determinar rápida y fácilmente qué diseños son prometedores y qué diseños tienen pocas posibilidades de éxito.

En Simcenter FLOEFD se pueden realizar múltiples clones de los proyectos de simulación que conservan todos los datos de análisis, como las fuentes de calor y otras condiciones de contorno, únicamente para probar diferentes variaciones de la geometría.

El software de Simcenter FLOEFD trabaja de manera inmediata en la geometría modificada, crea una malla

Imagen 4: Corte de sección que muestra la velocidad del movimiento de un fluido, así como la temperatura dentro de un transistor bipolar de puntos de decisión aislados (IGBT).

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acelera de manera significativa el paso de ejecutar el solver y examinar los resultados en una geometría modificada. La funcionalidad de configuración de

comparación y estudio paramétrico permite a los usuarios entender la influencia de los cambios en la geometría o de las condiciones de contorno en los resultados. Los usuarios pueden evaluar el área de diseño valorando los resultados por valores numéricos, gráficos e imágenes visuales o animaciones, comparando así una amplia variedad de modificaciones del proyecto. De esta manera, Simcenter FLOEFD acelera el proceso de diseño iterativo, permitiendo que la información obtenida en un análisis se incorpore de manera rápida y fácil para mejorar el producto.

Simcenter FLOEFD ofrece funcionalidades de verificación para validar diseños. Antes de lanzar una nueva versión

validan con un conjunto de 300 pruebas. Basado en este conjunto de verificaciones rigurosas, Simcenter FLOEFD ofrece 20 tutoriales y 32 ejemplos de validación, incluyendo su documentación, lista para un uso

inmediato.

Compartir resultados y descubrimientos es sencillo. Simcenter FLOEFD está totalmente integrada con

Microsoft® Word® y Excel®, ofreciendo la posibilidad a los ingenieros de crear documentos de informes y recopilar datos importantes de forma gráfica de cualquier proyecto. Además, crea automáticamente hojas de cálculo de Excel resumiendo los resultados de un análisis y llevando a cabo el último paso en cualquier análisis: la creación de informes. Simcenter FLOEFD también se suministra con un visualizador independiente para compartir resultados seleccionados con sus clientes en un entorno interactivo

Imagen 5: El estudio paramétrico y la comparación de diseño de Simcenter FLOEFD ayudan a los ingenieros a optimizar los diseños rápidamente.

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Diseñadores del mundo real y Simcenter FLOEFD Eche un vistazo a estos ejemplos reales, que demuestran la velocidad, la precisión y la potencia de Simcenter FLOEFD a la hora de ayudar a los diseñadores a ajustarse a los plazos, a obtener resultados de mayor calidad y a mantener los costes al mínimo.

Referencias

1.2013. Impulsar las decisiones de diseño con simulación. Lifecycle Insights. 2.2010. Eigner, M. Future PLM – Trends aus Forschung und Praxis: Blog de la Universidad de Kaiserslautern

Renault

Los ingenieros de Renault utilizaron Simcenter FLOEFD para diseñar faros de automóvil de mejor calidad y menor coste.

e-Cooling

Los consultores de ingeniería utilizaron Simcenter FLOEFD para diseñar soluciones de flujo de aire y refrigeración para dispositivos electrónicos que permitieran a sus clientes comercializar productos más fiables.

Dr. Schneider

Los diseñadores utilizaron Simcenter FLOEFD para reducir el tiempo de desarrollo del producto, buscar rápidamente variantes de diseño adecuadas, ahorrar costes y explicar el comportamiento del flujo de los productos del interior del automóvil.

Koenigsegg

Un ingeniero de diseño de la Universidad de Halmstad utilizó Simcenter FLOEFD para evaluar los diseños de refrigeración de frenos de los vehículos deportivos.

Mitsubishi Materials

El profesor Obikawa, del Instituto de Ciencia Industrial de la Universidad de Tokio, colaboró con ingenieros de Mitsubishi Materials para diseñar un sistema mejorado de refrigeración que permitiera alargar la vida de sus herramientas de corte.

Mercury Racing

Los ingenieros utilizaron Simcenter FLOEFD para diseñar el filtro

refrigerador intermedio, o intercooler, más innovador para el motor de su lancha de carreras.

Pan Asia Technical Automotive Center

Un ingeniero utilizó Simcenter FLOEFD para desarrollar unidades de control del aire HVAC para automóviles.

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