Análisis, diseño e implementación de un algoritmo para la solución de las ecuaciones de navier stokes, mediante la técnica de diferencias finitas, en un intercambiador de calor con superficies extendidas

Este proyecto de investigación desarrolló un software que es el reflejo de un modelo de intercambiador de calor con superficies extendidas, por el cual pasa un fluido y así poder tener un punto de comparación de los datos tomados empíricamente contra los datos arrojados por ('1 software. La apl...

Full description

Autores:
Rangel Caballero, Jaime Alfredo
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2007
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/25934
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/25934
Palabra clave:
Computer sciences
Systems engineer
Heat exchangers
Algorithms
Mathematical behavior
Equations
Heat transmission
Software development
Revision control (Computer science)
Ciencias computacionales
Ingeniería de sistemas
Intercambiadores de calor
Transmisión del calor
Desarrollo de software
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Comportamiento matemático
Ecuaciones
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description Este proyecto de investigación desarrolló un software que es el reflejo de un modelo de intercambiador de calor con superficies extendidas, por el cual pasa un fluido y así poder tener un punto de comparación de los datos tomados empíricamente contra los datos arrojados por ('1 software. La aplicación se desarrolló utilizando el ciclo de vida clásico de desarrollo de software. Se seleccionó esta metodología ya que el proceso se encuentra ya definido debido a que es un proceso físico que tiene una solución determinada. Durante la fase de análisis de requerimientos se modeló la aplicación utilizando UML para tener una visión general del software: módulos a desarrollar, características del proceso, interfaz de usuario y hardware necesario.
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Durante la fase de análisis de requerimientos se modeló la aplicación utilizando UML para tener una visión general del software: módulos a desarrollar, características del proceso, interfaz de usuario y hardware necesario.Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM)INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................................................................................1 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................................................................................4 1.1 Objetivo general........................................................................................................................................................................5 2.1 Objetivos específicos........................................................................................................................................................................6 2. MARCO TEÓRICO........................................................................................................................................................................7 2.1 MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL..................................................................................................................................9 2.2 ECUACIONES QUE GOBIERNAN EL FLUJO............................................................................................................................. 2.2.1 Volumen de control finito........................................................................................................................................................... 2.2.2 Elemento infinitesimal del fluido..................................................................................................................................................... 2.2.3 La derivada substancial.................................................................................................................................................................. II 2.2.4 La ecuación de continuidad...................................................................................................................................................... 15 2.2.5 La ecuación de momentum...................................................................................................................................................... 21 2.2.6 Comportamiento matemático de las ecuaciones................................................................................................................ 26 2.3 ASPECTOS BÁSICOS DE DISCRETIZACIÓN ..................................................................................................................................28 2.3.1 Diferencias finitas ........................................................................................................................................................................29 2.1.1 Condiciones de frontera reflexivas............................................................................................................................................33 2.4.2 Frontera tipo Dirichlct.................................................................................................................................................................. 34 2.4.3 Frontera tipo Newmann........................................................................................................................................................... 34 2.4.4 Condiciones de frontera tipo mixto.......................................................................................................................................... 34 2.5 TÉCNICAS PARA APLICACIONES DE MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL......................................................... 35 2.6 MODELAMIENTO DE SOFTWARE ...................................................................................................................................................36 3. ESTADO DEL- ARTE ........................................................................................................................................................................38 4. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DEL SOFTWARE ..................................................................................................41 4.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................................................ 41 4.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.......................................................................................................................................................... 42 4.3 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE .......................................................................................................................................43 4.3.1 Método de formulación del problema........................................................................................................................................ 43 4.3.2 Discretización del dominio....................................................................................................................................................... 44 4.3.3 Definición de las ecuaciones y selección de cuadrícula.......................................................................................................... 45 4.3.4 Solución de sistemas de ecuaciones lineales............................................................................................................................ 49 4.3.5 Implementación de condiciones de frontera y condiciones iniciales.................................................................................. 51 5. DESARROLLO DEL SOFTWARE......................................................................................................................................................... 53 5.1 DESCRIPCIÓN DE LOS MÓDULOS................................................................................................................................................. 53 5.1.1 Módulo Entorno........................................................................................................................................................................ 53 5.1.2 Módulo Simulación........................................................................................................................................................................ 56 5.1.3 Módulo Resultados........................................................................................................................................................................ 56 5.2 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL................................................................................................................................................................56 5.2.1 Caso de uso crear información de entorno................................................................................................................................57 5.2.2 Caso de uso iniciar simulación.............................................................................................................................................58 5.2.3 Caso de uso formatear resultados........................................................................................................................................59 5.2.4 Diagrama de secuencia................................................................................................................................................................. 59 5.2.5 Interfaz de usuario ........................................................................................................................................................................60 5.2.6 Hardware requerido .....................................................................................................................................................................60 5.2.7 Criterios de validación.................................................................................................................................................................. 60 5.2.8 Estructura de. archivos................................................................................................................................................................. 61 5.2.9 Empaquetamiento........................................................................................................................................................................ 61 6. ANÁLISIS DEL ALGORITMO .............................................................................................................................................................62 6.1 COMPLEJIDAD TEMPORAL........................................................................................................................................................... 62 6.1.1 Complejidad temporal del algoritmo de corrección de presión......................................................................................... 62 6.2 COMPLEJIDAD ESPACIAL................................................................................................................................................................. 65 6.1.1 Complejidad espacial del algoritmo de corrección de presión............................................................................................ 65 7. CODIFICACIÓN................................................................................................................................................................................. 66 8. DISEÑO EXPERIMENTAL Y PROCESAMIENTO DE LOS RESULTADOS........................................................................................ 67 8.1 METODOI OCIA DEI DTSEÑO DF EXPERIMENTOS PARA LAS PRUEBAS DEL MODELO........................................................67 DIAGNOSTICO DE LA CONCORDANCIA ENTRE LOS DATOS Y EL MODELO............................................................................... 68 8.2.1 Residuales, la base del diagnóstico....................................................................................................................................... 68 8.2.2 Búsqueda de residuos inusitados con los residuales................................................................................................................ 70 8.2.3 Transformaciones estabilizadoras de la varianza para datos con distribuciones conocidas- .............................................71 8.2.4 Transformaciones con exponentes para estabilizar varianzas............................................................................................ 71 8.2.5 Generalización del modelo lineal.............................................................................................................................................. 72 8.2.6 Aplicación del modelo................................................................................................................................................................... 72 8.3 ANÁLISIS DE VARIANZAS.................................................................................................................................................................. 73 8.3.1 Aplicación del modelo .................................................................................................................................................................74 8.4 DISEÑOS DE PARCELAS DIVIDIDAS ..............................................................................................................................................77 8.4.1 Errores experimentales para dos tamaños de parcelas........................................................................................................... 78 8.4.2 Modelo de parcelas divididas...................................................................................................................................................... 78 8.4.3 Características del diseño de parcelas divididas....................................................................................................................... 79 8.4.4 Aplicación del modelo................................................................................................................................................................... 79 9. CONCLUCIONES y RECOMENDACIONES......................................................................................................................................... 84 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................................................................................... 86 ANEXOS..................................................................................................................................................................................................... 88MaestríaThis research project developed software that reflects a heat exchanger model with extended surfaces through which a fluid passes, allowing for a comparison of the data taken empirically against the data provided by the software. The application was developed using the classic software development life cycle. This methodology was selected because the process is already defined because it is a physical process that has a specific solution. During the requirements analysis phase, the application was modeled using UML to obtain an overview of the software: modules to be developed, process characteristics, user interface, and necessary hardware.Modalidad Presencialhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Análisis, diseño e implementación de un algoritmo para la solución de las ecuaciones de navier stokes, mediante la técnica de diferencias finitas, en un intercambiador de calor con superficies extendidasAnalysis, design and implementation of an algorithm for the solution of Navier Stokes equations, using the finite difference technique, in a heat exchanger with extended surfacesMagíster en en Ciencias ComputacionalesUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaMaestría en Ciencias Computacionalesinfo:eu-repo/semantics/masterThesisTesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TMComputer sciencesSystems engineerHeat exchangersAlgorithmsMathematical behaviorEquationsHeat transmissionSoftware developmentRevision control (Computer science)Ciencias computacionalesIngeniería de sistemasIntercambiadores de calorTransmisión del calorDesarrollo de softwareControl de versiones (Computadores)AlgoritmosComportamiento matemáticoEcuacionesAHO V. Alfred, ULLMAN D. Jeffrcy. Foundations of Computer Science. Edición C. New York: Computer Science Press An Imprint of W. H. Freeman and Company, 1995. 786 p.ANDERSON, .JIJON D. JR. Computat.ional Fluid Dynamics The basics witli applica tions. New York: McGrawHill. 1995. 547 p.CROWE T. Clayton, ROBERSON A. John y ELGER F. Donald. Engineering Fluid Mcchanics. Edición 7. Jhon Wilcy & Sons, Inc. 2001. 714 p.PRESSMAN ROGER S. Software Engineering a practitioner’s approach. Edición 3. Me Graw Ilill, 1992. 793 p.ABBOTT, Bruce. Requirements set the mark En InfoWorlcl, San Mateo: Mar 5, 2001. Tomo 23, No 10; pg. 45, 2 pgs.FREITAS, C. J. Policy Statement on the Control of Numerical Accuracy En ASME Journal of Fluids Engineering. 1993. Vol. 115, No. 3.FREITAS. C I Perspectivo: Scloctcd Bcnchmarks From Commercial CFD Codes En Journal ol Fluids Engineering. 1995 . \ ol. 117.CHUNG T.J., Computational Fluid Dynamics, Cambridge Univcrsity press. 2002. 1012 PPLUTZ Prechelt. 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