Desarrollo de estrategias y algoritmos de cálculo de alto desempeño para la resolución de problemas acoplados ter-fluido dinámicos de gran escala

El presente trabajo de investigación se centra en el desarrollo de estrategias y algoritmos para la resolución de problemas acoplados termo-fluido dinámicos mediante la aplicación de la técnica de dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés Computatinal Fluid Dynamics), utilizando el método de volúmenes finitos (Finite Volume Method, FVM) y técnicas de cálculo de alto rendimiento (High-performance computing, HPC). La aplicación tecnológica de dichos algoritmos se orienta hacia la mejora del desempeño térmico y fluido dinámico de un radiador de transformador de potencia, específicamente durante su funcionamiento en modo ONAN (por Oil-Natural, Air-Natural), es decir que tanto la circulación del aire entre las aletas del radiador como la circulación del aceite en los conductos de refrigeración se dan por convección natural. Los transformadores de potencia son elementos fundamentales en una red eléctrica, permitiendo la transmisión eficiente de energía eléctrica a lo largo de largas distancias y su transformación a diferentes niveles de tensión. El correcto funcionamiento de estos equipos es esencial para garantizar la confiabilidad y estabilidad del suministro eléctrico en la sociedad moderna. El radiador de un transformador de potencia, de gran altura pero con dimensiones reducidas para la circulación de aire y aceite, presenta desafíos computacionales significativos debido a la necesidad de generar mallas con una gran cantidad de celdas para una precisión adecuada. Este requisito de alta resolución conduce a un excesivo tiempo de cómputo, lo que hace impracticable buscar mejoras y proponer soluciones ingenieriles convencionales. Sin embargo, las estrategias y algoritmos desarrollados en esta investigación no solo son aplicables a los radiadores de transformadores eléctricos de potencia, sino que también tienen potencial en otras situaciones que involucren el fenómeno de transferencia de calor y geometrías con altas relaciones de aspecto, donde se requiera un análisis detallado de la interacción entre el calor y el flujo de fluidos. Esta amplia gama de aplicaciones abarca desde el sector eléctrico hasta otros campos industriales y ambientales, donde comprender en detalle la transferencia de calor y el comportamiento del flujo de fluidos es esencial. Para abordar estos desafíos, se proponen diversas estrategias y metodologías, que incluyen el tratamiento con condiciones periódicas, la implementación de fuerzas de cuerpo, la aplicación de la ley de porosidad, con el objetivo de analizar dos interfaces clave: la interfase entre la chapa del radiador y el aceite interno, y la interfase entre la chapa y el aire circulante externo. Se exploran aplicaciones prácticas, como la implementación de generadores de vórtices para la interfaz del aire y la utilización de indentaciones (estampado) en la chapa para la interfaz del aceite. Los resultados obtenidos a partir de estas propuestas se han publicado en revistas especializadas, demostrando mejoras significativas en el desempeño térmico del radiador del transformador de potencia. Además, las soluciones propuestas no presentarían obstáculos significativos ni acarrearían costos excesivos adicionales en el proceso de fabricación de los radiadores. Esta afirmación se basa en la simplicidad geométrica de las soluciones y se respalda por consideraciones de ingeniería. Esta tesis presenta una contribución significativa tanto desde una perspectiva de ingeniería práctica como en el desarrollo de estrategias numéricas avanzadas. Las estrategias propuestas, como el tratamiento de condiciones de borde periódicas con un factor de decaimiento adaptado a geometrías con alta relación de aspecto, la implementación de mallas embebidas y la inclusión de términos fuente en las ecuaciones de momento de Navier-Stokes, se han demostrado altamente efectivas en la resolución de problemas termo-fluido dinámicos en radiadores de transformadores de potencia. Estas estrategias ofrecen ventajas cuantificables, como la reducción significativa del tiempo de cálculo, un uso más eficiente de los recursos computacionales y la capacidad de predecir flujos secundarios. Esto hace que sea viable explorar y proponer soluciones ingenieriles con un enfoque más rápido y preciso. Además, es importante destacar que todas estas estrategias se implementaron en el software Code_Saturne, una plataforma de código abierto y licencia GNU-LGPL, lo que significa que están disponibles para la comunidad científica e industrial. Los detalles completos sobre la implementación y programación de estas estrategias se encuentran en la documentación del software, permitiendo su replicación y utilización por parte de otros investigadores y profesionales del campo. Esta accesibilidad y su demostrada eficacia hacen que estas estrategias sean valiosas contribuciones al avance de la simulación termo-fluido dinámica y la ingeniería de sistemas de enfriamiento.

Dorella, Jonathan Jesús