La simulación Multifísica en ingeniería se refiere al análisis de las interacciones complejas entre múltiples fenómenos físicos —como flujo de fluidos, mecánica estructural, efectos térmicos y electromagnetismo— dentro de un único marco computacional. En lugar de estudiar cada dominio físico por separado, la simulación multifísica permite a los ingenieros modelar cómo interactúan los dominios simultáneamente, reflejando las condiciones del mundo real donde las cargas y los efectos están acoplados y se influyen mutuamente.
Puntos clave de la Simulación Multifísica:
- Los flujos de trabajo multifísicos combinan la solución de físicos individuales (p. ej., para fluidos, estructuras, calor y electromagnetismo) para predecir con precisión el comportamiento de sistemas completos.
- Estas simulaciones son cruciales para comprender fenómenos como por ejemplo la transferencia de calor, la deformación y el transporte de masa, que resultan de la interacción de diferentes dominios físicos. Algunos ejemplos comunes incluyen la interacción fluido-estructura (FSI), el acoplamiento termo-óptico, el acoplamiento electromagnético-térmico, y el acoplamiento estructural-acústico por mencionar algunos.
- Las simulaciones multifísicas se pueden realizar utilizando soluciones individuales con capacidades multifísicas o acoplando soluciones especializados para intercambiar datos y capturar interacciones complejas. Este enfoque se utiliza ampliamente en diversas industrias, como la aeroespacial, la automotriz, salud y las aplicaciones industriales, para optimizar diseños, predecir el rendimiento en el mundo real y reducir los costos y riesgos de desarrollo.
¿Cuáles son los principales retos al realizar simulaciones multifísicas?
Las simulaciones multifísicas son esenciales para modelar con precisión sistemas del mundo real donde interactúan múltiples fenómenos físicos, pero presentan varios desafíos importantes. Estos surgen de la necesidad de acoplar diferentes dominios físicos.
Complejidad del acoplamiento de diferentes dominios físicos
Cada dominio físico (fluidos, estructural, térmico, electromagnético) tiene sus propias ecuaciones gobernantes, propiedades de los materiales y sus leyes de comportamiento ante los fenómenos físicos, y métodos de solución. El acoplamiento de estos dominios requiere una cuidadosa coordinación y secuenciación para garantizar un intercambio de datos preciso, y la compatibilidad y coherencia entre las soluciones de cada una de las físicas involucradas.
El acoplamiento puede ser:
- Unidireccional: donde un campo afecta a otro sin retroalimentación, o
- Bidireccional: donde ambos campos se influyen mutuamente de forma iterativa, y el acoplamiento fuerte por lo general requiere de múltiples iteraciones para la convergencia.
Estabilidad numérica y convergencia
Lograr la convergencia en simulaciones fuertemente acopladas puede presentar dificultades, especialmente cuando ocurren pequeños cambios en un dominio que provocan grandes cambios en otros (p. ej., reacción química Vs el cambio de presión en un fluido Vs la deformación de la estructura). Esto puede generar inestabilidad -u oscilaciones- en la solución entre estas tres físicas que se están evaluando de maneta bidireccional.
A menudo se requieren algoritmos especializados, como la estabilización cuasi-Newton, la transferencia de datos gradual y las técnicas de relajación, para mantener la estabilidad y lograr la convergencia.
Desafíos de escala y resolución
Los problemas multifísicos pueden involucrar fenómenos que ocurren en escalas espaciales y temporales muy diferentes. En escala espacial, por ejemplo, el flujo de un fluido puede requerir resolución a la escala de la malla del modelo numérico, mientras que las interacciones de partículas ocurren a escalas mucho menores. En el caso temporal, por ejemplo, la velocidad el movimiento del mecanismo de una prensa puede estar en segundos, mientras una reacción química puede ser del orden de microsegundo. Resolver todas las interacciones directamente pueda llegar a ser computacionalmente prohibitivo.
Las propiedades del material.
Pueden depender en gran medida de las variables de estado de otros dominios físicos (por ejemplo, la conductividad dependiente de la temperatura en el calentamiento por inducción), lo que requiere una actualización dinámica y una gestión cuidadosa durante la simulación.
Flujo de trabajo e intercambio de datos.
Es fundamental transferir datos de forma eficiente (cargas, condiciones de contorno, variables de campo) entre diferentes soluciones y dominios. A menudo se utilizan medios de acoplamiento de sistemas para facilitar este intercambio, pero configurar las interfaces y garantizar la compatibilidad puede resultar complejo.
No linealidad
Muchos problemas multifísicos son no lineales, los efectos de retroalimentación entre dominios pueden complicar la solución y requerir técnicas de modelado avanzadas. La respuesta y comportamiento de un sistema no líneas se va construyendo durante la solución Multifísica de los fenómenos que están acoplando.
Por: Carlos Franco de Grupo SSC SA de CV
