Simulaciones CFD – Geometría de Biorreactores
El primer paso y posiblemente el más crítico en la realización de simulaciones CFD es la creación de la geometría de biorreactores.
Hay muchos paquetes de software comercial disponibles para crear geometría y mallado.
Se sabe que pequeños cambios en el diseño pueden resultar en grandes variaciones en los resultados.
El primer paso suele ser crear el diseño seguido de la malla.
Este último es un proceso de dividir toda la geometría en celdas más pequeñas, de modo que cada celda pueda considerarse como un pequeño volumen de control.
Este último es un proceso de dividir toda la geometría en celdas más pequeñas, de modo que cada celda pueda considerarse como un pequeño volumen de control.
A continuación, se resuelven las ecuaciones de gobierno para cada volumen de control y se calcula el perfil de flujo.
Luego, los valores locales de los parámetros se promedian en todo el dominio para obtener un valor general en la geometría de biorreactores.
Todo el software comercial proporciona al usuario una variedad de formas estándar que se pueden usar para crear cualquier geometría según los requisitos.
El mallado puede ser estructurado o no estructurado dependiendo de la geometría de biorreactores.
Si la geometría de biorreactores es simple y simétrica, se puede usar una malla estructurada, pero si la geometría es complicada (como en la mayoría de los casos), se debe usar una malla no estructurada.
La malla estructurada suele dar resultados satisfactorios con menos celdas en comparación con la malla no estructurada.
En la malla estructurada, todas las celdas se distribuyen uniformemente, mientras que la malla no estructurada puede tener una distribución no uniforme.
La celda se define como un volumen de control en el que se resuelven todas las ecuaciones de conservación discretizadas.
Las mallas estructuradas suelen tener celdas hexaédricas (en 3D) y celdas cuadriláteras (en 2D).
Las mallas no estructuradas suelen tener celdas tetraédricas (en 3D) y celdas triangulares (en 2D).
En el caso de los dominios 2D, las celdas se especifican por área, mientras que los dominios 3D se especifican por volumen.
La precisión de los resultados de la simulación dependía de la calidad de la red.
A medida que se reduce el tamaño de la cuadrícula, los resultados de la simulación se vuelven independientes del tamaño de la cuadrícula.
Para lograr una solución independiente del tamaño de la red, se realiza un estudio de independencia de la red.
En este estudio, se generan cuadrículas de diferentes tamaños y se realiza una simulación en cada tamaño de cuadrícula.
Cuando la solución no varía con el tamaño de la red, se afirma que se logró la independencia de la red.
Con la reducción del tamaño de la cuadrícula para un dominio de solución dado, el número de celdas de la cuadrícula aumenta para lograr una alta precisión a expensas del tiempo computacional.
Por lo tanto, es importante tener un equilibrio entre el tamaño de la cuadrícula y el tiempo computacional.
Se puede seleccionar cualquier parámetro para la visualización de la independencia de la red.
Una vez completada la malla, se debe verificar la calidad de la malla. Para este propósito, se debe calcular la asimetría de cada celda.
La asimetría indica cuánto difiere la celda de una forma de celda óptima estándar, donde el tamaño de celda óptimo es el tamaño de una celda equilátera con el mismo circunradio.
Si la asimetría es cero, entonces se considera una celda excelente y cuando se convierte en uno, la celda se considera degenerada y es inaceptable.
Esta verificación se realiza en cada celda de la cuadrícula y si la mayoría de las celdas tienen una asimetría inferior a 0,5, la malla se considera buena.
Para malla estructurada, el valor es cero o cercano a cero, mientras que para malla no estructurada puede existir cualquier valor dependiendo de la complejidad geométrica.
Una vez que se completa el mallado, se deben realizar simulaciones.
Todos los solucionadores cumplen los requisitos básicos de incorporar las propiedades del fluido que fluye a través del dominio y aplicar las condiciones de contorno apropiadas.
Sin embargo, cada uno tiene sus ventajas y desventajas únicas.
Las ecuaciones rectoras que deben resolverse numéricamente son (i) la ecuación de Navier-Stokes para el transporte de cantidad de movimiento, (ii) la ecuación de continuidad y (iii) la ecuación de transporte de calor y masa.
Dado que estas ecuaciones son ecuaciones diferenciales parciales complejas, no es posible resolverlas analíticamente y normalmente se requiere un enfoque numérico.
El método de volumen finito se usa a menudo para discretizar las ecuaciones diferenciales parciales a ecuaciones en diferencias ordinarias.
Una vez que estas ecuaciones han sido discretizadas a ecuaciones en diferencias ordinarias, se utilizan métodos numéricos para resolverlas utilizando las condiciones iniciales y de contorno apropiadas.
El método de elementos finitos (FEM) también se usa ampliamente para cálculos numéricos.
En este método, el dominio de la solución se divide en elementos finitos.
Dependiendo del problema espacial, generalmente se emplean tipos de elementos 1D (subintervalo), 2D (triángulos, cuadriláteros, elementos curvilíneos) y 3D (tetraedros, hexaedros, prismas, elementos curvilíneos).
Cada elemento se resuelve numéricamente discretizando las funciones polinómicas por partes seleccionadas.
En las interfaces de los elementos, las funciones tienen que cumplir con cierta ecuación de continuidad.