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Método de volumen finito (FVM)

1980
  • Suhas V. Patankar (popularized)
Espacio de trabajo de dinámica de fluidos computacional que muestra la simulación por el método de volúmenes finitos para la ingeniería aeroespacial.

The Finite Volume Método (FVM) is a dominant numerical technique in CFD for solving diferencial parcial equations. It discretizes the domain into a mesh of control volumes and applies the governing equations in their integral form to each volume. By converting volume integrals to surface integrals using the divergence theorem, it focuses on calculating the flux of conserved properties across cell faces.

The Finite Volume Method’s strength lies in its approach to discretization, which is particularly well-suited for fluid dynamics problems governed by conservation laws. The process begins by dividing the geometric domain into a set of non-overlapping control volumes, or cells, which collectively form a mesh. The governing partial differential equations are then integrated over each of these control volumes.

A key step is the application of the Gauss-Divergence theorem, which transforms volume integrals of divergence terms into surface integrals of fluxes across the cell boundaries. For a generic conserved scalar [latex]\phi[/latex], the conservation equation in integral form is [latex]\frac{\partial}{\partial t} \int_V \phi dV + \oint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \int_V Q dV[/latex], where [latex]\mathbf{F}[/latex] is the flux vector and [latex]Q[/latex] is a source term. The FVM discretizes this exact equation, approximating the surface and volume integrals. The flux across each face is calculated, often using interpolation schemes to find the value of [latex]\phi[/latex] at the cell face from the values stored at the cell centers.

This flux-based approach ensures that the quantity [latex]\phi[/latex] is conserved perfectly at the discrete level, both locally for each cell and globally for the entire domain. This property of exact conservation is a major advantage over methods like the Finite Difference Method and makes FVM robust and physically realistic, especially when dealing with shocks or sharp gradients in the flow. It is also flexible in handling unstructured meshes, which are necessary for modeling complex geometries.

UNESCO Nomenclature: 1208
– Numerical Analysis

Tipo

Software/Algoritmo

Disrupción

Sustancial

Utilización

Uso generalizado

Precursores

  • Cálculo integral y el teorema de divergencia de Gauss
  • Finite Difference Method (FDM)
  • Concepto de leyes de conservación en física
  • Trabajos tempranos sobre soluciones numéricas de ecuaciones en derivadas parciales de Courant, Friedrichs y Lewy
  • Desarrollo de técnicas de mallado no estructurado

Aplicaciones

  • Ingeniería aeroespacial para la aerodinámica externa
  • Diseño automotriz para reducción de arrastre y refrigeración
  • Diseño y análisis de sistemas HVAC
  • proceso químico engineering for reactor modeling
  • Ingeniería ambiental para la dispersión de contaminantes en el aire y el agua
  • Análisis de transferencia de calor en electrónica

Patentes:

NA

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