Development of Computational Fluid Dynamic codes for the numerical resolution of the Navier-Stokes equations applied to benchmark problems using finite volume method

Aprofundir en la simulació de les equacions fonamentals de la dinàmica de fluids i transferència de calor i massa, així com la seva aplicació en algun cas d’interès per l’estudiant en el camp de l’enginyeria industrial i/o aeronàutica. Depenen del background de l’estudiant en la resolució multidimensional de les equacions de Navier-Stokes treballat en assignatures del seu màster, es farà una tutela personalitzada que li permeti avançar en la modelitzacióó de situacions més complexes d’acord amb els seus interessos. Així, l’estudiant podrà aprofundir en el desenvolupament de codis de simulació de fluxos laminars en geometries complexes (malles no estructurades), fluxos turbulents (simulació directe de la turbulència i models de Large Eddy Simulation), fluxos bifàsics (sòlid-líquid o líquid-vapor), medis participants a la radiació, combustió, interacció sòlid-fluid, etc. El codis es desenvoluparan utilitzant preferentment tècniques de volums finits i en llenguatge de programació C o C++. També es considerarà la possibilitat de crear subrutines per ser implementades en codis de propòsit general (e.g. el codi obert OpemFoam, el codi TermoFluids, etc.). L’estudiant tindrà també la possibilitat d’orientar el seu TFM a aplicacions específiques en el camp de l’optimització de sistemes i equips termo-fluídics i aeronàutics per tal d’aconseguir la seva optimització, i.e. màxima eficiència energètica amb el mínim cost i impacte ambiental. Aquí l’estudiant podrà proposar, d’acord amb els professors, aquelles situacions que consideri més adients als seus interessos. Com a possibles casos d’aplicació citarem: En base al treball de simulació desenvolupat, una segona part del TFG estarà dirigida a aplicacions específiques en el camp de l’optimització de sistemes i equips termo-fluídics i aeronàutics per tal d’aconseguir la seva optimització, i.e. màxima eficiència energètica amb el mínim cost i impacte ambiental. Aquí l’estudiant podrà proposar, d’acord amb els professors, aquelles situacions que consideri més adients als seus interessos. Com a possibles casos d’aplicació citarem: Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to aerodynamics of airfoils shaped bodies.Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to heating, ventilating, air conditioning and refrigeration (HVAC & R). Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to combustion processes for aeronautic and aerospace applications. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to turbomachinery. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to solar thermal collectors for low and middle temperatures. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to thermal energy storage in industrial applications. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to analysis of the power block in thermoelectric plants. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to compact heat exchangers using micro-channels and fin-and-tube systems. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to bioengineering applications. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to refrigeration of electric and electronic components. Advanced study for the computational resolution of conservation equations of mass, momentum and energy. Application to solid-fluid interaction. El títol final del TFM dependrà de l’aplicació final escollida. El llistat anterior és representatiu de com podria quedar el títol final.The main objective of this work is the development of different programs to learn and verify computational fluid dynamics problems which are governed by the Navier-Stokes equations. The document will be divided into different chapters in which we will detail the procedures performed. During the first chapter there will be an introduction on computational fluid dynamics problems, as the basic requirements to deal with this type of cases, as well as the limits that will be encountered during the development of these. In the second chapter there will be a brief introduction about the necessary theory which will be of great help during the development of the case studies. The convection-diffusion equations will be studied in the third chapter, which will be discretized for the development of the different cases. In this chapter we will also introduce the concept of Finite volume method that will be a fundamental part of this work. Finally, we will see the different numerical schemes that can be implemented, as well as the different solvers. During the fourth chapter the different cases will be presented, such as the Transient Conduction problem, the Diagonal flow and the Smith Hutton problem, which will be developed and commented. In the fifth chapter we will introduce in the Fractional Step Method, we will see the different steps to follow for the implementation of this method in the development of the case the Driven Cavity. the spatial discretization and the algorithm necessary for the development of this will be detailed. Finally, the results will be discussed, and the pertinent conclusions will be given. We will make an introduction to the field of turbulence that is why in chapter six the Burgers equations will be discretized; two different methods will be studied LES (Large eddy simulation) and DNS (Direct numerical simulation). The results obtained will be compared with the references given by the CTTC