Las condiciones de frontera en dinámica de fluidos son el conjunto de restricciones a los problemas de valores de frontera en dinámica de fluidos computacional . Estas condiciones límite incluyen condiciones límite de entrada, condiciones límite de salida, condiciones límite de pared, condiciones límite de presión constante, condiciones límite simétricas de eje, condiciones límite simétricas y condiciones límite periódicas o cíclicas.
Los problemas transitorios requieren una cosa más, es decir, condiciones iniciales donde los valores iniciales de las variables de flujo se especifican en los nodos del dominio de flujo. [1] En CFD se utilizan varios tipos de condiciones de contorno para diferentes condiciones y propósitos y se analizan a continuación.
En las condiciones de los límites de entrada , la distribución de todas las variables de flujo debe especificarse en los límites de entrada, principalmente la velocidad del flujo . [1] Este tipo de condiciones de contorno son comunes y se especifican principalmente cuando se conoce la velocidad del flujo de entrada.
En las condiciones límite de salida, es necesario especificar la distribución de todas las variables de flujo, principalmente la velocidad del flujo . Esto puede considerarse como una conjunción con la condición límite de entrada. Este tipo de condiciones de contorno es común y se especifica principalmente cuando se conoce la velocidad de salida. [1] El flujo alcanza un estado completamente desarrollado en el que no se produce ningún cambio en la dirección del flujo cuando la salida se selecciona lejos de las perturbaciones geométricas. En dicha región, se podría delinear una salida y el gradiente de todas las variables podría equipararse a cero en la dirección del flujo, excepto la presión .
El límite más común que se encuentra en los problemas de flujo de fluidos confinados es la pared del conducto. El requisito apropiado se denomina condición de frontera sin deslizamiento , en la que la componente normal de la velocidad se fija en cero y la componente tangencial se iguala a la velocidad de la pared. [1] Puede que vaya en contra de la intuición, pero la condición de no deslizamiento se ha establecido firmemente tanto en la experimentación como en la teoría, aunque sólo después de décadas de controversia y debate. [2]
Se puede especificar la transferencia de calor a través de la pared o, si las paredes se consideran adiabáticas , entonces la transferencia de calor a través de la pared se establece en cero.
Este tipo de condición límite se utiliza cuando se conocen los valores límite de presión y se desconocen los detalles exactos de la distribución del flujo. Esto incluye principalmente las condiciones de entrada y salida de presión. Los ejemplos típicos que utilizan esta condición de contorno incluyen flujos impulsados por flotabilidad, flujos internos con múltiples salidas, flujos de superficie libre y flujos externos alrededor de objetos. [1] Un ejemplo es la salida del flujo a la atmósfera donde la presión es atmosférica.
En esta condición de contorno, el modelo es simétrico con respecto al eje principal, de modo que en un r = R particular , todos los θ sy cada segmento z = Z, cada variable de flujo tiene el mismo valor. [3] Un buen ejemplo es el flujo en una tubería circular donde los ejes del flujo y de la tubería coinciden.
En esta condición de frontera, se supone que en ambos lados de la frontera existen los mismos procesos físicos. [4] Todas las variables tienen el mismo valor y gradientes a la misma distancia del límite. Actúa como un espejo que refleja toda la distribución del flujo hacia el otro lado. [5] Las condiciones en el límite simétrico son que no haya flujo a través del límite y que no haya flujo escalar a través del límite.
Un buen ejemplo es el de una tubería con un obstáculo simétrico en el flujo. El obstáculo divide el flujo superior y el flujo inferior como flujo reflejado.
Una condición de frontera periódica o cíclica surge de un tipo diferente de simetría en un problema. Si un componente tiene un patrón repetido en la distribución del flujo más de dos veces, violando así los requisitos de imagen especular requeridos para la condición de contorno simétrica. Un buen ejemplo sería la bomba de paletas barridas (Fig.), [6] donde el área marcada se repite cuatro veces en coordenadas r-theta. Las áreas cíclicas simétricas deben tener las mismas variables de flujo y distribución y deben satisfacerlas en cada segmento Z. [1]
