Simulaciones en el CIMNE de la UPC

Sergio Idelsohn, especialista en mecánica de fluidos, acaba de obtener una beca de tres millones de euros del Consejo Europeo de Investigación (ERC) para desarrollar sistemas de simulación informática que puedan realizar cálculos en tiempo real. Este investigador ICREA trabaja en el Centro Internacional de Métodos Numéricos en la Ingeniería (CIMNE) de la UPC en Barcelona. De origen argentino, maneja técnicas que sirven para comprobar cómo se comporta un avión en vuelo o cómo navega un petrolero. La Armada de Estados Unidos utiliza sus técnicas en uno de sus proyectos.

Sergio Idelsohn muestra una de sus simulaciones en el Centro Internacional de Métodos Numéricos en la Ingeniería (UPC).

Los métodos numéricos son métodos matemáticos utilizados para resolver problemas de ingeniería o física. En los años cincuenta y sesenta estos problemas se resolvían a mano. Desde los años setenta, lo hacen los ordenadores, pero fue necesario adaptar los métodos. Una ecuación que rige el movimiento de los líquidos, por ejemplo, se escribe en dos líneas de una pizarra. Pero saber la velocidad que rige esa ecuación es algo muy difícil y hasta la aparición de los ordenadores se realizaba en papel. Entonces, un sistema de 20 ecuaciones con 20 incógnitas podía requerir un par de días; hoy en día se pueden resolver entre cuatro y cinco millones de ecuaciones en minutos.

Hay casos en que no es posible realizar ensayos reales. Un problema típico de la siderurgia es calcular la altura desde la que se puede volcar un material en un caldero de metal fundido para mezclarlo sin salpicar al trabajador, pero hay otros: ¿Cuánto tiempo tardarán las impurezas del metal fundido en subir a la superficie? ¿Cómo mezclar azufre con el metal a 1.500 grados y cuánto tiempo tarda en mezclarse?

Realizar cálculos numéricos de problemas de ingeniería en tiempo real es un gran reto, siempre ha sido un problema el tiempo de cálculo. Muchas veces no se pueden realizar aplicaciones prácticas porque no funciona el método para resolver el problema en tiempo real.

La innovación de Sergio Idelshon es el desarrollo del método de Elementos Finitos de Partículas, que realmente ha traído un cambio importante en muchas de las ecuaciones que se han de resolver. Por ejemplo, en los problemas de superficies libres (una superficie que separa un líquido del aire o de otro líquido), también llamadas interfases. Hasta ahora, se podía simular cómo avanza una ola, pero no cuando ésta rompe contra un rompeolas. Cuando aparecen muchas partículas, las gotas se convierten en muchas superficies libres. El método de partículas permite prevenir los efectos de un tsunami en una ciudad costera.

Los vulcanólogos le han pedido a Idelshon que simule la interacción de los fluidos en la cámara magmática de los volcanes, que normalmente se encuentra en situación estacionaria. Suponen que las erupciones empiezan cuando, por algún motivo, entra en esa cámara un líquido más caliente, se produce una reacción térmica y aumenta la presión hasta producirse la erupción. Quieren comparar los resultados con el material despedido por los volcanes.

La Unión Europea quiere competir científicamente con EE UU y Japón, y los proyectos ERC deben ser muy innovadores para que los resultados que se obtengan sean de primera línea. En el caso de Idelshon, quiere resolver problemas que utilicen los cálculos numéricos en tiempo real. Para entendernos, sería impensable un GPS que ofreciera al conductor de un coche una dirección al cabo de tres minutos, en vez de tres segundos. Una de las aplicaciones de estos cálculos en timpo real, podría ser, por ejemplo: ¿Qué pasaría si durante un incendio forestal cambia de repente el viento? ¿Habrá que desalojar las viviendas cercanas? Los bomberos podrían ir con ordenadores de bolsillo y conocer mejor la evolución del incendio. Lo mismo serviría para tsunamis.

En la UPC van a utilizar para realizar estos cálculos en tiempo real la tecnología de las videoconsolas, que cuentan con tarjetas gráficas de altas prestaciones y de propósito general (GPUGP), más potentes que muchos ordenadores personales. El problema de los videojuegos, sin embargo, es la falta de precisión, algo fundamental en la industria. Esta precisión es importante, por ejemplo, durante una intervención quirúrgica: es necesario calcular en tiempo real la tensión que soporta la sangre (para evitar que se rompa, que cambien sus propiedades físicas) cuando el cirujano introduce un corazón artificial o una válvula.

A los integrantes del equipo de la UPC les ha costado muchos años, pero han conseguido entrar en un mercado tan difícil como Estados Unidos. Por ejemplo, la Agencia Nacional de Estandarización Técnica (NIST) les ha pedido que simulen la propagación de incendios en el mobiliario doméstico. También trabajan para la Office for Naval Research en la nueva generación de barcos rápidos sobre colchón de aire, para conocer cómo se deforma su estructura con fuertes oleajes y cómo navegan en aguas poco profundas. La Armada estadounidense también les ha encargado estudiar el efecto de la implosión en el fondo marino. Igualmente van a coordinar proyectos para evaluar cómo pueden afectar huracanes y terremotos a las construcciones e infraestructuras viarias, que es de interés para el Banco Interamericano de Desarrollo y el Banco Mundial.

En Europa tienen actualmente 30 proyectos; por ejemplo, cómo reforzar los polímeros con nanopartículas, algo interesante para crear textiles de alta resistencia con los cuales poder construir puentes con vigas llenas de aire o hangares portátiles que llevaría la propia avioneta. En el terreno de la seguridad, en colaboración con la empresa Dragados, han creado un sistema para evaluar la seguridad de la construcción del puerto de Langosteira en A Coruña, debido a que sólo es posible trabajar un número limitado de días al año por causa del mal tiempo.

Aquí se puede ver otro video interesante.