¿Qué es la simulación númerica?

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La simulación numérica es una herramienta que permite obtener una solución a las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de fenómenos físicos reales. Dicho de otro modo, permiten predecir el estado de un sistema en función de sus entradas o inputs. La simulación numérica es especialmente útil cuando se aplica en el campo de la ingeniería. La mayoría de fenómenos físicos (p.ej. movimiento de fluidos o deformaciones en sólidos sometidos a cargas) están modelizados matemáticamente por sistemas de ecuaciones en derivadas parciales, los cuales no se pueden resolver analíticamente (con lápiz y papel). Tan solo es posible alcanzar la solución analítica a versiones muy simplificadas de las ecuaciones originales, lo que limita su alcance considerablemente. Debido a ello, tradicionalmente, el diseño y la optimización de instalaciones o procesos en ingeniería requerían la construcción de costosos prototipos experimentales.

Sin embargo, gracias al desarrollo de los ordenadores y los métodos numéricos, es posible predecir el estado de un sistema de acuerdo con las ecuaciones que lo modelizan: es posible predecir con detalle el campo de velocidades y presiones en un fluido, o las deformaciones y tensiones en cada uno de los puntos de un sólido. El potencial de la simulación numérica ha generado que su uso no se limite a analizar procesos físicos o de ingeniería, sino que es usada en el estudio de fenómenos económicos, biológicos, etc.

Simulación mecánica de un cuadro de una bicicleta sometido a cargas bajo régimen estático lineal

De entre las aportaciones de la simulación numérica al mundo de la ingeniería, destacan las siguientes:

Ahorro de costes y tiempo en los diseños. Ya no es necesario fabricar costosos prototipos para evaluar cómo funcionará el diseño; se puede conseguir mediante el modelado numérico del diseño.

Optimización de los procesos y diseños. Mediante simulaciones bajo diferentes condiciones de funcionamiento y/o geometría es posible encontrar el punto de funcionamiento óptimo de los diseños o procesos.

Conocimiento en detalle del proceso. A diferencia de los ensayos experimentales, la simulación numérica proporciona información completa del problema; los resultados numéricos permiten conocer el valor de cada una de las variables involucradas en cada punto de la geometría para cada instante de tiempo.

Detección de fallos de funcionamiento. Mediante la simulación numérica es posible detectar fallos de funcionamiento de los sistemas (e.g. perdidas de carga excesivas, caminos preferenciales en reactores, zonas susceptibles de fractura…) La rápida evolución de la tecnología y las ciencias permite el modelado y simulación numérica de procesos que proceden del ámbito industrial y científico. Esto ha permitido la creación o consolidación de herramientas que permiten optimizar procesos, disminuir costes, mejorar la calidad de los productos, diseñar nuevas tecnologías, aumentar la seguridad, disminuir la contaminación ambiental, etc. Hasta hace unos años, el concepto de I+D+i ha estado ligado a las grandes empresas del sector que podían permitirse invertir en instalaciones o prototipos experimentales como túneles de viento o laboratorios. La simulación numérica hace accesible el concepto I+D+i a todas las empresas que lo deseen, analizando los fenómenos mediante sus ecuaciones matemáticas de comportamiento, en lugar de costosos ensayos de prueba y error.