Ansys Fluent minimiza la propagación de viruses en la circulación del aire

Puedes sentirlo en el aire

Acelerar la capacitación de futuros ingenieros mientras se les ayuda a convertirse en ciudadanos productivos del mundo puede parecer una empresa ambiciosa. Pero cuando los estudiantes de cuarto año del curso de dinámica de fluidos computacional y transferencia de calor de Murallidharan de otoño de 2021 asumieron el complejo problema de analizar la ventilación en las instalaciones del campus durante la pandemia de COVID-19, la experiencia resultó en aplicaciones decididamente realistas.

Equipados con Ansys Student, una descarga gratuita que incluye Ansys Fluent, en cada una de sus computadoras portátiles, los miembros de la clase descubrieron cómo usar el aprendizaje avanzado para resolver problemas prácticos (y en este caso, universales): estimar con qué frecuencia el aire dentro de un espacio confinado debe circular para minimizar la propagación de la infección y cómo introducir más aire fresco en el entorno cerrado.

Mezclas, Combinaciones y Momentos Eureka

Murallidharan espera que los estudiantes que completen su curso puedan comprender el flujo de fluidos en cualquier entorno en el que finalmente trabajen, ya sea que diseñen alas de aviones, sistemas de transferencia de calor para electrónica o turbinas eólicas.

Por eso aprecia la flexibilidad de Fluent, que utilizan ingenieros profesionales en múltiples disciplinas.

Antes de que puedan graduarse en Fluent, por así decirlo, sus estudiantes pasan sus primeros años en IIT Bombay calculando fenómenos de fluidos a la antigua: escribiendo ecuaciones y codificando programas de computadora.

Dominar los fundamentos es necesario y proporciona una base firme en la dinámica de fluidos. Sin embargo, los ejercicios de aprendizaje no brindan el tipo de conocimiento que los jóvenes ingenieros deberán tener en el trabajo.

“Debido a que los estudiantes tienen que hacer todos estos pasos por sí mismos, el problema al que aplicarán esta capacidad fundamental es muy rudimentario en el sentido de que probablemente tomarían una habitación muy ideal y estudiarían cómo se asentará el aire en ella”, dice Murallidharan. “Pasan la mayor parte de su tiempo tratando de aprender el núcleo mismo de estas ecuaciones. Pero al final, tienen dificultades para entender cómo las matemáticas pueden traducirse para ayudar a la industria”.

Por el contrario, Fluent les permite a los estudiantes ver fácilmente condiciones complejas sin tener que escribir y codificar cada parte, dice Murallidharan.

“Los ingenieros pueden seleccionar las ecuaciones que necesitan en Fluent y pueden mezclar y combinar diferentes modelos”, explica. “Fluent traducirá esas condiciones complejas muy rápidamente en una animación visual. Para los estudiantes, Fluent les permite relacionar los aspectos de ingeniería con un diseño y los ayuda a evaluar rápidamente el impacto de los problemas de flujo e idear soluciones”.

Esas sólidas capacidades numéricas y funcionales parecen diseñadas específicamente para la clase de Murallidharan, que tenía dos pistas paralelas. Los estudiantes dedicaron parte de su tiempo a aprender conceptos y luego usaron Fluent para resolver problemas reales que se basan en la teoría fundamental de dinámica de fluidos computacional (CFD). Hubo mucho aprendizaje de ida y vuelta, dice Murallidharan, que ayudó a los estudiantes a comprender mejor los fundamentos y las aplicaciones y les permitió ver lo que hacen los conceptos en el mundo real. También resultó en muchos momentos eureka.

Planeando un regreso seguro

Llevar problemas del mundo real al aula de ingeniería suele ser complicado, y lo es aún más cuando una pandemia impide que los estudiantes estén en el aula ellos mismos y tienen que depender completamente del aprendizaje remoto en línea.

Sin embargo, estas circunstancias adversas resultaron brindar una oportunidad única para estos jóvenes estudiantes de ingeniería. Con el problema de COVID-19 a su alrededor, se convirtió en un enfoque obvio para su proyecto de un semestre. Descubrir si los laboratorios y otros espacios de aprendizaje compartidos estaban lo suficientemente bien ventilados para prevenir la transmisión del virus ayudaría a los estudiantes de Murallidharan:

• Aprenda que CFD fundamental no es algo eliminado de sus vidas. Uno de los objetivos, dice, era mostrar cómo estas «ecuaciones frías y muy secas encajan en nuestro mundo caótico».
• Reconocer cómo se puede utilizar CFD para resolver problemas socialmente relevantes y marcar una diferencia en la vida de las personas. Los estudiantes e ingenieros a menudo están desconectados de la sociedad, dice Murallidharan. Pero aprender a contribuir con el mundo, incluso si se trata de diseñar una bomba simple que ayude a un agricultor a regar sus cultivos, puede ser más valioso que “conseguir un trabajo bien remunerado”.
• Ser capaz de proporcionar recomendaciones específicas y concretas para superar un desafío. Como ella señala, si el tema en el que estaban trabajando fuera demasiado abstracto o tan grande que no hay forma de llegar a una solución factible (por ejemplo, terminar con la contaminación), sería desmotivador.

En última instancia, el trabajo de los estudiantes podría tener un impacto enorme y significativo en la propia universidad tecnológica. Si pudieran descubrir cómo mejorar la ventilación, o al menos garantizar que lo que ya está allí sea seguro, podría ser posible que todos regresen al campus antes. Sin embargo, quedaron algunas preguntas: ¿Cómo podría hacerse algo de esto sin que los estudiantes accedieran a las instalaciones que requerían análisis? ¿Y cómo podría ayudar Fluent?

Todos los problemas son locales

Dicen que todos los problemas son locales; si eso es cierto, también lo son las soluciones. Al menos lo eran en este caso.

Con una visita al campus prohibida, Murallidharan pidió a los estudiantes que comenzaran a buscar problemas de ventilación en sus propios hogares. Eso rápidamente puso el tema en contexto, dice ella, ya que todos estaban interesados ​​en hacer que las habitaciones donde ellos y sus familias viven sean lo más seguras posible.

Ampliar la investigación implicó aprovechar un as en la manga. Aunque IIT Bombay estuvo cerrado en gran parte, la escuela permitió que un puñado de Ph.D. candidatos a venir al campus. Sirvieron como mentores de la clase de Murallidharan, respondiendo preguntas sobre los laboratorios y otros espacios que se estaban analizando y tomando fotos para proporcionar al menos una vista virtual.

Partiendo de la suposición de que el aire recirculado probablemente estaba cargado con el coronavirus, los estudiantes usaron Fluent para simular los efectos de traer aire fresco y sacar el viejo. Murallidharan dice que las sólidas capacidades de mallado y simulación de Fluent «hicieron una gran diferencia», ya que permitieron a los estudiantes mallar salas grandes de manera eficiente e incorporar fácilmente varios efectos de flujo, como ventiladores de techo, extractores de aire y parámetros de turbulencia de aire.

“No hay forma de que los niños pudieran haber codificado la malla por sí mismos para geometrías tan complejas como una habitación”, dice ella. “El tamaño de la malla de la esfera de influencia de Fluent les permitió identificar fácilmente las regiones en las que querían mallas más complejas o finales. Podían ver por qué algunas mallas no funcionaban, hacer cambios rápidamente y luego ver cómo eso afectaba los resultados. Fue una gran experiencia de aprendizaje”.

Usar Fluent para visualizar el flujo de aire en las habitaciones también fue fundamental.

“Las capacidades de animación de Fluent en realidad les mostraron cómo se comportaba el flujo en lugar de que tuvieran que imaginar algo”, dice Murallidharan. “Vieron el flujo visualizado en las habitaciones, probaron diferentes opciones de simulación disponibles en Fluent y trabajaron con capacidades numéricas adicionales, como resolver un escalar definido por el usuario (UDS), que fue crucial para predecir el tiempo de residencia del aire. en varias partes de la habitación. Finalmente, los estudiantes se dieron cuenta de la importancia de ventilar las zonas muertas para limitar la propagación de infecciones”.

Una solución elegante

Al final, los estudiantes recomendaron una solución elegante, rentable, simple y universal: agregar extractores de aire a los espacios y dejar las ventanas abiertas un poco para aumentar la circulación y la velocidad del flujo. De principio a fin, el trabajo tomó solo cuatro meses. No hubo codificación desde cero, solo unas pocas horas de clic por semana en sus computadoras. El breve cronograma hizo que la experiencia fuera especialmente enriquecedora, dice Murallidharan. El uso de Ansys Fluent aceleró las habilidades de los estudiantes y, gracias a su estudio de algo en el aire, podrán comenzar a trabajar como profesionales.