Computational Study of the Numerical Effects caused by the Mesh Quality in a Square Cylinder

Abstract

[ES] La presente Tesis está centrada en la demostración cuantitativa de los efectos que una malla de baja calidad tiene en la solución de una simulación computacional. La Fluido Dinámica Computacional es una reciente y compleja ciencia, que nos permite obtener resultados numéricos de problemas que hasta ahora no tenían solución. Algunas ventajas so: el amplio rango de aplicación, su bajo coste en comparación con el proceso experimental, el límite inexistente de las dimensiones estructurales de los prototipos y el tiempo de resolución que está relacionado con el tipo de ordenador, entre otros. No obstante, también tiene algunas desventajas, como la facilidad de cometer un error durante la definición de los parámetros. El programa siempre resolverá el problema si la solución converge. Por lo tanto, es muy importante verificar la apropiada definición de todos los parámetros y variables de nuestro problema para obtener una solución adecuada.

Existen muchos tipos de errores con diferentes efectos en a solución. En esta Tesis se investiga el efecto de la calidad de la malla por las consecuencias que tiene en el resultado. Según las características que tenga el mallado, tendrá asociada una calidad.Simularemos un flujo alrededor de un cilindro cuadrado, definiendo cuatro tipos de mallas en la zona cercana al cilindro, manteniendo el resto constantes. De este modo, cada mallado tiene una calidad específica. Tras la simulación, comparamos los resultados de los varios casos entre ellos. Se demuestra que el error propagado por una definición inadecuada de los parámetros que determinan la calidad de malla es apreciable. La magnitud real de estos efectos está relacionada con el módulo de la fuerza y su aplicación. Por ejemplo, en el campo de la Ingeniería Civil, las fuerzas que soporta la estructura de un edificio son de elevado valor, por lo que un error en el cálculo podría tener consecuencias desastrosas. Por este motivo, debería tenerse en cuenta para evitar mayores daños.

[EN] The present Thesis is focused on the quantitative demostration of the effects that a low quality mesh has in the solution of a computational simulation. Computational Fluid Dynamics is a recent and complex science, which allows us to approach a numerical result of problems without solution until then. Some advantages are: the wide range of application, its lower cost in comparison with the experimental process, the non-existent limit to the structural dimensions of what we would like to simulate and the time of resolution that is related to the computer, among others. Nonetheless, some disadvantages exist too, like the ease of making a mistake during the setting up of the parameters. The program will always resolve the problem if the solution is converged. So, it is very important to verify the appropiate definition of all parameters and variables of our problem in order to get a suitable solution.

There are many types of errors with several effects in the solution. In this Thesis, the effect of the mesh quality is investigated because of its consequencies in the result. According to the characteristics that we impose to the mesh, it will be associated with a quality. We are going to simulate a fluid flow around a square cylinder, defining four different types of grids for the zone around the cylinder and keeping the rest constant. So, each grid has a concret value of mesh quality. After the simulation, we compare the results of the various cases between them. It has been demostrated that the error propagated by an inadequate definition of the parameters of the grid quality is appreciable. The real magnitude of this effect is relative to the force modulus and its application. For example, in the field of Civil Engineering, the forces that support the structure of a building have a high value and an error in the calculation could have disastrous consequences. For this reason, it should be taken into account, to avoid major damages.