Desarrollo de estrategias y algoritmos de cálculo de alto desempeño para la resolución de problemas acoplados termo-fluido dinámicos de gran escala

Abstract

El presente trabajo desarrolla estrategias y algoritmos para resolver problemas acoplados termo-fluido dinámicos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD) y el método de volúmenes finitos (FVM) con técnicas de cálculo de alto rendimiento (HPC). La aplicación se enfoca en mejorar el desempeño térmico y fluido dinámico de radiadores de transformadores de potencia en modo ONAN (Oil-Natural, Air-Natural), donde la circulación del aire y aceite ocurre por convección natural. Los transformadores de potencia son esenciales en redes eléctricas, permitiendo la transmisión eficiente de energía. Su radiador presenta desafíos computacionales debido a la necesidad de mallas con muchas celdas para precisión adecuada, lo que conlleva tiempos de cómputo excesivos. Las estrategias y algoritmos desarrollados son aplicables no solo a radiadores de transformadores, sino también en otros contextos que involucren transferencia de calor y geometrías con altas relaciones de aspecto. Se proponen metodologías como condiciones periódicas, fuerzas de cuerpo, y la ley de porosidad para analizar interfaces clave entre el radiador y los fluidos. También se exploran soluciones prácticas, como generadores de vórtices y estampado en la chapa. Los resultados, publicados en revistas especializadas, muestran mejoras significativas en el desempeño térmico del radiador con costos adicionales mínimos debido a una fabricación factible en la línea de producción. La tesis contribuye tanto a la ingeniería práctica como al desarrollo de estrategias numéricas avanzadas, reduciendo el tiempo de cálculo y optimizando recursos computacionales. Estas estrategias se implementaron en el software de código abierto Code_Saturne, permitiendo su replicación por la comunidad científica e industrial, avanzando en la simulación termo-fluido dinámica y la ingeniería de sistemas de enfriamiento.

This work develops strategies and algorithms to solve coupled thermo-fluid dynamic problems using Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Volume Method (FVM) techniques with High Performance Computing (HPC). The application focuses on enhancing the thermal and fluid dynamic performance of power transformer radiators in ONAN (Oil-Natural, Air-Natural) mode, where air and oil circulation occurs through natural convection. Power transformers are essential in electrical networks, enabling efficient energy transmission. Their radiators pose computational challenges due to the need for meshes with many cells for adequate precision, resulting in excessive computing times. The developed strategies and algorithms are applicable not only to transformer radiators but also to other contexts involving heat transfer and geometries with high aspect ratios. Methodologies such as periodic boundary conditions, body forces, and the porosity law are proposed to analyze key interfaces between the radiator and fluids. Practical solutions like vortex generators and embossing on the fins are also explored. Results published in specialized journals demonstrate significant improvements in the radiator's thermal performance with minimal additional costs due to feasible manufacturing on the production line. The thesis contributes to both practical engineering and the development of advanced numerical strategies, reducing computation time and optimizing computational resources. These strategies were implemented in the open-source software Code_Saturne, enabling replication by the scientific and industrial community, advancing thermo-fluid dynamic simulation and cooling system engineering.