Descripción y contextualización de la asignatura

La asignatura de “Cálculo y diseño térmico mediante métodos numéricos”, que se imparte en el Master Universitario en Investigación en Eficiencia Energética y Sostenibilidad en Industria, Transporte, Edificación y Urbanismo, es una asignatura optativa de 3 créditos que se enmarca en la especialidad Eficiencia Energética en la Industria y el Transporte.



Se presentan dos alternativas para la resolución problemas en los que aparece la ecuación diferencial del campo de temperaturas. Primero se expone el método de las diferencias finitas, planteando mediante programación la formulación correspondiente a cada problema y el método de resolución empleado (explícito o implícito). Se abarcan problemas en régimen estacionario y dinámico, así como unidimensionales o bidimensionales.



A continuación, se pasa a definir los campos de aplicación de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) empleando un software comercial como herramienta fluidomecánica. Se analizan diferentes consideraciones a tener en cuenta en el planteamiento de un modelo CFD, tales como la construcción geométrica del modelo, su posterior mallado, las ecuaciones diferenciales a implementar o el propio postprocesado.



Las herramientas de cálculo basada en la CFD se emplean en diversos apartados de procesos industriales tales como el diseño de nuevos productos o planteamientos de mejora energética, la resolución de problemas de proceso, estudios paramétricos…

Resultados del aprendizaje de la asignatura

RA1: Saber elegir el método de resolución más adecuado para cada problema térmico planteado, identificando las limitaciones o hipótesis a realizar.

RA2: Ser capaz de entender la programación en diferencias finitas y saber modificar las variables más representativas del problema para obtener una solución precisa.

RA3: Utilizar un software de CFD para resolver problemas de transmisión de calor básicos.

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

CRITERIOS DE EVALUACIÓN:



PROBLEMAS DE DIFERENCIAS FINITAS

- Comprensión del lenguaje de programación.

- Interpretación de los resultados.

- Saber detectar y solventar los errores que puedan aparecer en el programa.



INFORME CFD

- Formato y conclusiones adecuadas en el informe.

- Geometría (simplificaciones y planos de simetría) y mallado del modelo (tipo y tamaño de malla).

- Comparación de resultados numéricos y experimentales.

- Valoración de los datos y resultados del modelo.



ASISTENCIA Y PARTICIPACIÓN:

- Participación activa y positiva en clase

- Asistencia y puntualidad.



RENUNCIA: Para hacer efectiva la opción de renuncia el alumnado deberá hacérselo saber al coordinador de la asignatura vía email antes del término de las clases magistrales.

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Los criterios de evaluación son los mismo que los de la convocatoria ordinaria. La nota correspondiente a la asistencia y participación en clase será la obtenida durante la convocatoria ordinaria. En el caso de haber aprobado en la convocatoria ordinaria alguno de los apartados relacionados con los problemas de diferencias finitas o el trabajo con CFD, se guardará la calificación para la nota final de la convocatoria extraordinaria.



RENUNCIA: Para hacer efectiva la opción de renuncia el alumnado deberá hacérselo saber al coordinador de la asignatura vía email antes de la fecha prevista para la entrega de trabajos/problemas.





RENUNCIA: Para hacer efectiva la opción de renuncia el alumnado deberá hacérselo saber al coordinador de la asignatura vía email antes de la fecha prevista para la entrega de trabajos/problemas.

Temario

Se dotará al alumnado de herramientas, tanto teóricas como prácticas, para la resolución de ecuaciones diferenciales relacionadas con la transferencia de calor. Se estudiarán las ventajas y limitaciones de los métodos numéricos frente a la resolución analítica de los problemas.



TEMARIO:



TEMA 1: SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIAL DE LA TRANSMISIÓN DE CALOR

· Introducción

· Métodos analíticos

· Métodos numéricos



TEMA 2: MÉTODO DE LAS DIFERENCIAS FINITAS

· Introducción

· Aproximación de derivadas parciales por el método de las diferencias finitas

· Método explícito para caso de flujo unidimensional

· Método implícito para caso de flujo unidimensional

· Problemas bidimensionales



TEMA 3: PROBLEMAS DE TRANSMISIÓN DE CALOR EN DIFERENCIAS FINITAS

· Introducción al programa

· Método explícito

· Método implícito

· Método de dirección alternante

· Otras condiciones de contorno



TEMA 4: DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

· Introducción

· Procedimiento de resolución en la CFD

· Ecuaciones que rigen la CFD

· Estructura y contenido del programa

· Mallado del programa



TEMA 5: PROBLEMAS DE CFD

· Convección natural

· Estacionario vs Dinámico

· Intercambiadores de calor

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

Materiales que se publicarán a lo largo del curso en la plataforma virtual eGELA (power points, ejercicios, enunciados, informes...)

Bibliografía básica

1. D.A. Anderson, J.C. Tannehill y R.H. Pletcher, Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Nueva York, Hemisphere, 1984



2. G.E. Forsythe y W.R. Wasow, Finite Difference Methods for Partial Differential Equations, Nueva York, Halsted Press, 1978



3. Y. Jaluria y K.E. Torrance, Computational Heat Transfer, Nueva Yorrk, Hemisphere, 1986



4. W.J. Minkowycs, E.M. Sparrow, G.E. Schneider y R.H. Pletcher, Handbook of Numerical Heat Transfer, Nueva York, John Willey & Sons, 1988



5. M.N. Özisik, Finite Difference Methods in Heat Transfer and Fluid Flow, Nueva York, Hemisphere, 1980



6. S.V. Patankhar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Nueva York, Hemisphere, 1980



7. J. Tu, G.H. Yeoh, C. Liu, Computational Fluid Dynamics. A Practical Approach, Elsevier, 2008



8. B. Carnahan, H.A. Luther y J.O. Wilkes, Cálculo Numérico, Métodos, Aplicaciones, ed. Rueda, Valencia, 1979

Bibliografía de profundización

MÉTODOS NUMÉRICOS







1. K.H. Huebner y E.A. Thornton, The Finite Element Method for Engineers, 2a ed., Nueva York, John Willey & Sons, 1982







2. G.E. Myers, Analytical Methods in Conduction Heat Transfer, Nueva York, McGraw-Hill, 1971







3. T.M. Shih, Numerical Heat Transfer, Nueva York, Hemisphere, 1984







4. A.S. Arcilla, J. Haüser, P.R. Eiseman y J.F. Thompson, Numerical Grid Generation in Computational Fluid Dynamics and related Fields, Amsterdan, 1991







5. B. Gebhart, Heat Conduction and Mass Diffusion, Nueva York, McGraw-Hill, 1993

Revistas

1. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering







2. Journal of Computational Physics







3. Computer & Fluids







4. Mathematical and Computer Modelling

Enlaces

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