Un nuevo paradigma en las simulaciones de multifísica
Muchos de los sistemas del mundo que nos rodea consisten en interacciones complejas entre fluidos —gases o líquidos— y fases o estructuras sólidas. Se pueden hallar ejemplos en diferentes campos, como la industria farmacéutica, la industria alimentaria y de preparación de alimentos, la minería, la construcción y la generación de electricidad a partir de fuentes de energía renovables. Productos de uso cotidiano como los combustibles renovables e incluso el café dependen de un profundo conocimiento de las leyes de la física que subyacen a los procesos que intervienen en su fabricación. Las simulaciones de sistemas multicomponente son tan antiguas como las propias simulaciones. Sin embargo, merecen que se replanteen desde cero teniendo en cuenta la capacidad cada vez mayor de los superordenadores y las aspiraciones cada vez más ambiciosas en materia de predicción científica y diseño de ingeniería. Las investigaciones realizadas en el marco del proyecto AMST (Advanced multi-physics simulation technology), financiado por la Unión Europea, facilitaron un enfoque innovador de las simulaciones multifísica. El profesor Bernhard Peters, de la Université du Luxembourg, coordinador del proyecto, explica que «el método de elementos discretos ampliado (XDEM) para simulaciones multifísica y multiescala se remonta al tratamiento térmico de residuos investigado anteriormente en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), en Alemania. XDEM constituye la base de una plataforma de simulación avanzada que aúna flexibilidad y versatilidad para crear una nueva generación de herramientas de simulación multifísica y multiescala». XDEM extiende el comportamiento dinámico de los materiales y partículas sólidos descrito en el método de elementos discretos clásico por medio del cálculo de su estado termodinámico. Además del estado termodinámico de cada partícula (que incluye cambios en la temperatura y la distribución de las especies a causa de reacciones químicas y fuentes de calor externas), se predice el estrés y los campos de deformación. El profesor Peters añade que «la nueva plataforma de simulación utiliza el acoplamiento de diversas herramientas de predicción basadas en los enfoques euleriano y lagrangiano. El euleriano representa modelos de simulación [donde todas las fases se consideran como una sucesión continua a nivel macroscópico]. Estos modelos de sucesión continua incluyen análisis de dinámica de fluidos computacional y de elementos finitos. En cambio, el enfoque lagrangiano resulta adecuado para fases discretas». Apunta además que «la aplicación del método XDEM con una base científica sólida estuvo acompañada por el desarrollo de una interfaz gráfica de usuario que hace las veces de pre-procesador del solucionador de XDEM». La plataforma de simulación AMST fue posible gracias a una fructífera colaboración entre la Université du Luxembourg y la pyme alemana inuTech, que aportó su saber hacer complementario en el campo de la simulación de problemas basados en leyes físicas y el diseño de software. El proyecto AMST ha cerrado una brecha tecnológica y contribuido al avance de la investigación multifísica en Europa. Simular el comportamiento de sistemas multicomponente ayuda a científicos e ingenieros a analizar datos experimentales y desvelar las interacciones físicas subyacentes. Gracias a esta información teórica que complementa el conocimiento empírico, se podrá ampliar considerablemente nuestro entendimiento de la multifísica.
Palabras clave
Sistemas multicomponente, AMST, simulaciones de multifísica, método de elementos discretos, termodinámica
