Ordenadores en el servicio de simulación

1989/01/01 Bardino von, K. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Softwarea

Modelizar es representar el comportamiento de los fenómenos reales como expresión teórica o matemática. La resolución de esta declaración simula el comportamiento natural de la realidad.

Las sensaciones numéricas son a menudo más apropiadas que los experimentos físicos para probar ideas y no hay que olvidar que los superordenadores tienen una enorme capacidad para resolver problemas complejos.

Por tanto, los ordenadores son muy apropiados para su uso en simulaciones, pero sobre todo en los siguientes casos:

• Hacer un modelo cuando es muy caro.
• Cuando el tiempo real de ensayo es un obstáculo (en la predicción meteorológica, por ejemplo).
• Investigar fenómenos de grandes dimensiones (yacimientos de petróleo submarinos, etc.). ).
• Cuando es difícil instalar medidores (por ejemplo, en la investigación del pistón motor de explosión).

La casa Mazda simula por ordenador el comportamiento dinámico del automóvil.

Por supuesto, un ordenador de gran capacidad es caro. Puede costar veinte millones de dólares, pero los investigadores pueden poner sus problemas a través de la dinámica de los fluidos (F.D.O.) La herramienta es rentable cuando la resuelven. El FDO simula el comportamiento de fluidos (gases o líquidos), resolviendo numéricamente las ecuaciones básicas del movimiento de los fluidos.

Los procesos físicos presentes en el comportamiento de los fluidos se producen a escala o nivel muy bajo. Por ello, la FDO divide el área de fluidos en miles de pequeñas células computables y resuelve las ecuaciones de cada célula. A la hora de decidir el número de células se tienen en cuenta diferentes factores: el fenómeno estudiado, la complejidad de la geometría del fenómeno, la precisión necesaria, la capacidad de memoria del ordenador, la velocidad de resolución de cálculos, etc.

La descripción precisa del fenómeno natural requiere una simulación tridimensional en la que se prevé la acción del comportamiento físico en las tres direcciones espaciales. Esto significa que la memoria principal del ordenador debe ser muy grande y que el tiempo de cálculo también es largo.

La simulación en dos dimensiones es menos compleja y se puede realizar más rápido. Por eso se hace muchas veces como primera aproximación. Sin embargo, cuando se trata de realizar cálculos precisos de geometría compleja, sólo los ordenadores gigantes son capaces de realizar los cálculos de simulación a una velocidad aceptable. Se utilizan para analizar el comportamiento complejo de los fluidos durante su diseño en automoción, naval y aviación. Empresas como Jaguar en Gran Bretaña, Mazda k en Japón o General Motors en EEUU están utilizando estas técnicas para investigar las características aerodinámicas de sus vehículos. Mediante estos estudios de simulación se pretende aumentar el rendimiento del combustible, mejorar la estabilidad a altas velocidades de traslación, preservar la seguridad y la estética, etc.

Los primeros diseñadores calculaban la aerodinámica y estabilidad de los vehículos en túneles de viento. Para ello se necesita mucho tiempo y el sistema es caro debido a las grandes instalaciones. Por el contrario, el superordenador con software FDO puede prescindir de este planteamiento.

A través de superordenadores, los diseñadores cuentan con una gran ayuda en la simulación de la aerodinámica de los aviones. En este avión de guerra F-16A, por ejemplo, se pueden ver remolinos de aire en las alas.

Es muy difícil simular la aerodinámica del automóvil. De hecho, la geometría del vehículo es compleja y los remolinos de aire tridimensionales. Además, los investigadores deben tener en cuenta la influencia del pavimento en cualquier simulación de fluidos, lo que resulta muy difícil de investigar experimentalmente.

Según los cálculos realizados con superordenador, los resultados sugieren que los diseñadores pueden reducir la resistencia del aire mejorando la corriente de aire bajo el vehículo. También se indicó que el movimiento del pavimento afecta a la estabilidad del vehículo. Los investigadores pueden simular el comportamiento de los fluidos en tres dimensiones mediante el uso de redes que contienen millones de células en sus simulaciones, obteniendo sólo así datos exactos de resistencia y estabilidad al aire.

La aplicación industrial más habitual del FDO es la investigación aerodinámica. Mediante superordenadores de última generación, los investigadores pueden hoy en día simular fluidos viscosos en todo el fuselaje de los aviones.

Es un problema a tener muy en cuenta en la simulación mediante estos ordenadores. Sin embargo, a veces no es el único factor. Hay fenómenos que se llevan a cabo a una escala de tiempo muy larga, y si no se resume ese tiempo con una simulación por ordenador, el investigador no tiene ninguna solución.

A la hora de simular procesos dinámicos en la atmósfera (por ejemplo, en la predicción del tiempo) hay que tener en cuenta factores como la termodinámica, la humedad, la continuidad, la hidrostática, etc. Los investigadores fragmentan la parte del espacio que quieren estudiar en miles de celdas que se extienden en redes horizontales y capas verticales.

La capacidad de los superordenadores actuales permite tratar cada quince minutos las pequeñas celdas cuadradas de cien kilómetros de longitud y un kilómetro de alto. Estos procesos físicos del tiempo pueden estudiarse también en zonas restringidas a menor escala, tomando como base submodelos.

En la simulación numérica del tiempo pueden existir dos objetivos diferentes:

• Predicciones a corto plazo
• Predicciones a largo plazo

Los meteorólogos han empezado a utilizar módulos climáticos para estudiar la influencia de la actividad humana en el clima: lluvia ácida, viento nuclear, efectos invernadero, etc. Para simular estos fenómenos, los superordenadores necesitan mucho tiempo, aunque sean de gran capacidad.

La simulación por ordenador también es muy adecuada para la explotación de reservas de petróleo y gas. En los casos más simples, las reservas presentan capas diferentes de permeabilidad constante. Otras veces las características varían de un bloque a otro. El procedimiento normal consiste en inyectar gas, agua o agua y detergente a la reserva a presión para facilitar la liberación del petróleo. Todo ello se puede simular por ordenador unas pocas horas.

En el mundo industrial y técnico se encuentran cada vez más aplicaciones a la simulación por ordenador. Y no es de extrañar. No hay más que ver los avances que han sufrido los ordenadores en el cuadro adjunto.