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Dise�o de una metodolog�a para analisis de flujo en 2d de transporte utilizando dinamica de fluidos computacional

 

Design of a methodology for 2d transport flow analysis using computational fluid dynamics

 

Projeto de uma metodologia para an�lise de

�fluxo de transporte 2d usando din�mica de fluidos computacional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ptacle@espoch.edu.ec ���

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 30 de agosto de 2021 *Aceptado: 20 de septiembre de 2021 * Publicado: 07 de octubre de 2021

 

       I.          Ingeniero, PhD en Ciencias, Docente de la Facultad de Recursos Naturales en la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

     II.          Ingeniero Qu�mico, Mag�ster en Qu�mica, Investigador independiente, Riobamba, Ecuador.

 

Resumen

La metodolog�a CFD es un m�todo num�rico que consiste en dividir el sistema de inter�s en vol�menes peque�os, donde se resuelven de forma aproximada las ecuaciones generales del fluido. Esto permite obtener resultados en cada punto del sistema y evaluar m�s r�pido, cualquier cambio en las condiciones de este. El objetivo de este trabajo de investigaci�n es comprender el comportamiento del flujo en 2D (dos dimensiones) de un fluido a trav�s de una tuber�a horizontal� de transporte analizando la velocidad m�xima, perfil de velocidades y� presi�n, desarrollando un procedimiento para el an�lisis de fluidos. La din�mica de fluidos computacional (CFD), es un enfoque �til para resolver las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos, mediante m�todos num�ricos y t�cnicas computacionales; esta �rea de la mec�nica proporciona los fundamentos de la hidr�ulica de tuber�as e hidr�ulica de canales. Se utiliza el m�todo de la din�mica de fluidos computacional (CFD) con el software Ansys 2020. Se exponen los resultados se determin� los perfiles de velocidad para un flujo laminar de 6,079 x10-4 m/s para fluido de trabajo agua l�quida. Se emplearon c�lculos mediante el uso del modelo simple del software. Esta simulaci�n proporciona los valores de los contornos de presi�n, velocidad m�xima dentro de la tuber�a y permite generar una metodolog�a general para el an�lisis de flujos como herramienta para la academia e investigaci�n.

Palabras clave: Fluidos; ANSYS fluent; presi�n; velocidad; flujo.

 

Abstract

The CFD methodology is a numerical method that consists of dividing the system of interest into small volumes, where the general equations of the fluid are approximately solved. This allows obtaining results at each point of the system and evaluating any change in the conditions of the system faster. The objective of this research work is to understand the behavior of the flow in 2D (two dimensions) of a fluid through a horizontal transport pipeline analyzing the maximum velocity, velocity profile and pressure, developing a procedure for the analysis of fluids. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful approach to solve the equations that describe the movement of fluids, using numerical methods and computational techniques; This area of ​​mechanics provides the fundamentals of pipeline hydraulics and channel hydraulics. The computational fluid dynamics (CFD) method is used with Ansys 2020 software. The results are shown, the velocity profiles were determined for a laminar flow of 6.079 x10-4 m / s for liquid water working fluid. Calculations were used using the simple software model. This simulation provides the values ​​of the pressure contours, maximum velocity within the pipe and allows to generate a general methodology for the analysis of flows as a tool for academia and research.

Keywords: Fluids; ANSYS fluent; Pressure; speed; flow.

 

Resumo

A metodologia CFD � um m�todo num�rico que consiste em dividir o sistema de interesse em pequenos volumes, onde as equa��es gerais do fluido s�o aproximadamente resolvidas. Isso permite obter resultados em cada ponto do sistema e avaliar mais rapidamente qualquer mudan�a nas condi��es do sistema. O objetivo deste trabalho de pesquisa � compreender o comportamento do escoamento em 2D (duas dimens�es) de um fluido atrav�s de um duto de transporte horizontal por meio da an�lise da velocidade m�xima, perfil de velocidade e press�o, desenvolvendo um procedimento para a an�lise de fluidos. A din�mica de fluidos computacional (CFD) � uma abordagem �til para resolver as equa��es que descrevem o movimento dos fluidos, usando m�todos num�ricos e t�cnicas computacionais; Esta �rea da mec�nica fornece os fundamentos da hidr�ulica de dutos e hidr�ulica de canal. O m�todo de din�mica de fluidos computacional (CFD) � usado com o software Ansys 2020. Os resultados s�o mostrados, os perfis de velocidade foram determinados para um fluxo laminar de 6,079 x10-4 m / s para fluido de trabalho de �gua l�quida. Os c�lculos foram usados ​​usando o modelo de software simples. Esta simula��o fornece os valores dos contornos de press�o, velocidade m�xima dentro da tubula��o e permite gerar uma metodologia geral para a an�lise de escoamentos como ferramenta para academia e pesquisa.

Palavras-chave: Fluidos; ANSYS fluente; Press�o; Rapidez; fluxo.

 

Introducci�n

En la actualidad el uso de herramientas computacionales y su integraci�n al an�lisis de los fluidos es de suma importancia, nos permite obtener y estimar diferentes variables como velocidades, temperaturas, presiones, en diferentes componentes. El perfil de velocidades en un flujo laminar tiene forma de par�bola y la velocidad m�xima se encuentra� en el eje x, la velocidad del fluido conforme se aleja del eje hacia las paredes disminuye hasta tener un valor de cero. El �rea del conocimiento de la simulaci�n num�rica del flujo de un fluido, trasferencia de calor, reacciones qu�micas, combusti�n entre otros se analiza en la din�mica de fluidos computacional� CFD (Computational Fluid Dynamics). El origen del CFD se dio al combinar dos disciplinas: mec�nica de fluidos y c�lculos num�ricos. Las ecuaciones que gobiernan el flujo de un fluido est�n basadas en la mec�nica de fluidos y su resoluci�n se da por diferentes m�todos num�ricos. La ecuaci�n de transporte de la variable de inter�s (Φ) es una de las ecuaciones m�s importantes resuelta por CFD, adem�s las ecuaciones de conservaci�n resueltas� tienen cuatro t�rminos: t�rmino de tiempo, t�rmino advectivo, t�rmino difusivo y t�rmino fuente. �Por ejemplo, para la ecuaci�n de conservaci�n de masa (o continuidad), la variable Φ es igual a 1, el coeficiente de difusi�n y la fuente son nulos�. (Scientific, 2016)

De esta manera (Scientific, 2016) menciona que el m�todo de elementos finitos y el m�todo de vol�menes finitos son considerados los m�todos de discretizaci�n m�s divulgados . Con este tipo de m�todos se cambia el dominio continuo por el dominio discreto, donde el dominio original es representado por un conjunto de vol�menes de control. La forma algebraica que representa a la ecuaci�n de transporte de la variable de inter�s (Φ) es solucionada en cada volumen de control mediante un sistema de ecuaciones. Por lo general estas ecuaciones tienen una resoluci�n m�s r�pida y precisa con CFD as� dando soluci�n a diversos problemas de mec�nica de fluidos.

En un sistema de tuber�as el paso de un fluido radica en que los flujos quedan limitados principalmente por las superficies s�lidas. En este tipo de sistemas de tuber�as se puede tener dos tipos de flujos: laminar o turbulentos asociados al di�metro de las tuber�as y velocidad del fluido, adem�s el n�mero del Reynolds que depende de la viscosidad, densidad, di�metro de la tuber�a y velocidad del flujo establecer� la naturaleza que tiene el flujo.� (Ordo�ez et al., 2018)

Es as� que (Cruz Gavilan et al., 2020) realiz� una revisi�n y an�lisis de CFD aplicados a la ingenier�a, con �nfasis en la ingenier�a agr�cola. Este an�lisis se centra en las aplicaciones fundamentales como la mejora en el dise�o y estructura de fluidos para riego, equipos agr�colas brindando la posibilidad de valorar distintas opciones de dise�o y simulaci�n de procesos. �Las investigaciones realizadas pertenecen al campo de la ingenier�a Agr�cola, an�lisis te�rico y elementos finitos de p�rdidas de carga en un sistema de riego de pivote central, bombas centr�fugas, efecto del viento en el flujo de aire de aspersores agr�colas y clima en invernaderos�.

Otros investigadores como (Lluguay, 2016) desarroll� un modelo basado en las ecuaciones de Navier � Stokes para simular los perfiles de velocidad de un flujo incomprensible teniendo en cuenta el principio de conservaci�n de masa y cantidad de movimiento. Estas ecuaciones fueron resueltas en base a simulaci�n num�rica por m�todo de vol�menes finitos y la discretizaci�n del dominio por mallado no estructurado por m�todo tetra�drico. Adem�s, analiz� el flujo de fluidos en tres tramos de las tuber�as tomados del banco de pruebas. Finalmente realiz� una validaci�n de resultados mediante el software ANSYS CFX.

Otro autor (Toapanta et al., 2018) investig� el comportamiento del flujo de agua a trav�s de una contracci�n gradual para el c�lculo de las p�rdidas en los cambios de geometr�a debido al cambio transversal del �rea dando a notar la importancia del an�lisis del flujo a trav�s de las tuber�as, adem�s determin� los perfiles de velocidad del flujo empleando c�lculos del modelo K-�psilon. As� esta simulaci�n proporciono valores de la velocidad y turbulencia cin�tica del fluido agua en varias secciones del sistema de tuber�as.

A partir de lo anterior, la presente investigaci�n tiene como objetivo analizar el comportamiento de un fluido de trabajo en 2D� mediante la ayuda de un software de CFD para lograr simular el comportamiento, el c�lculo de velocidad m�xima, el perfil de velocidades, presiones a la entrada y salida de la tuber�a, como desarrollar un aporte de una� metodolog�a de an�lisis para fluidos en vol�menes finitos. En la actualidad, una alternativa muy pr�ctica e importante es el an�lisis y estudio de fluidos a partir de simulaciones� con el empleo de m�todos num�ricos computacionales.(Tacle-Humanante et al., 2019)

 

Materiales y m�todos

La din�mica de fluidos� computacional basa su m�todo de soluci�n en vol�menes finitos. Una importante propiedad es que los principios de conservaci�n (masa, momento y energ�a), las mismas que son la base para la modelaci�n de la mec�nica del continuo, son respetadas por las ecuaciones discretas deducidas del m�todo de vol�menes finitos.

Este trabajo se realiza con la ayuda de mec�nica computacional de fluidos CFD, el sistema� a ser analizado est� formado por una tuber�a horizontal� de di�metro 4 m y longitud 40 m, flujo laminar, en las que se conocen las condiciones de dise�o.(P�rez Colas et al., 2020)

 

Condiciones Iniciales:

Se considera las siguientes condiciones, seg�n se muestra en la tabla1.(Cueva, 2021)

 

 

Tabla 1. Condiciones del problema

 

Procedimiento para uso y an�lisis en CFD:

Una vez determinadas las condiciones iniciales del problema a solucionar para un flujo en una tuber�a horizontal, mediante el an�lisis CFD, se debe seguir los siguientes pasos:

1.     Abrir el programa Ansys Workbench

2.     Seleccionar� y abrir el m�dulo Fluid Flow (Fluent), como se muestra en la figura 1

Figura 1. Modulo Fluid Flow (Fluent) de CFD

Luego dibujar la geometr�a en Designer Modeler, modelador propio del programa, (Tacle Humanante et al., 2019) se analiza una tuber�a� horizontal que presenta las siguientes dimensiones: (4m de di�metro x 40 m de longitud), seg�n se muestra en la figura 2

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Modelado geom�trico de la tuber�a

Como siguiente paso se configura y se genera la malla para� un valor de convergencia� de 500 mm, y un refinamiento de 3 mm. (ver figura 3.)

Figura 3. Mallado del volumen del fluido

 

Se selecciona en la tuber�a horizontal las �reas de entrada, paredes y� salida del flujo. (ver figura 4.).

Figura 4. �rea de entrada del flujo

Ahora establecemos condiciones de entrada y par�metros mediante el solver de Ansys Fluent. (ver figura 5.)

Figura 5. Solver de ansys fluent

 

Se selecciona un modelo de an�lisis laminar y como fluido de trabajo agua l�quida. (ver figura 6.)

 

Figura 6. Modelo de an�lisis

Luego se selecciona un numero de iteraciones para convergencia y se inicia el c�lculo. (ver figura 7.)

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 7. Iteraciones para calcular

 

El proceso de an�lisis es similar a otros trabajos reportados en la literatura cient�fica como (Toapanta et al., 2018) donde se analiza problemas de flujos incompresible con densidad constante e isotermo.

 

Resultados y discusi�n

Se inicia la simulaci�n de un fluido de trabajo (agua l�quida) con el modelo laminar. La velocidad de entrada a la tuber�a es de 5x10-4 m/s. En la siguiente figura 8 se puede observar la velocidad m�xima del fluido� que tiene un valor de 6,079 x10-4 m/s.

Figura 8. Velocidad m�xima del flujo

Mediante este an�lisis CFD� para fluidos� en la figura 9 se observa el perfil de velocidades en forma de par�bola donde el comportamiento de la velocidad del fluido es m�ximo en la l�nea media del eje� hacia el centro, se determin� que la velocidad aumenta de 1,2% mas que la velocidad inicial, debido a que se debe vencer la presi�n para que exista movimiento. En los contornos de la tuber�a se observa velocidades del flujo bajos debido al rozamiento.

Figura 9. Perfil de Velocidades

 

Luego analizamos la presi�n en el fluido real, es ligeramente� mayor� entre la entrada y salida de esta, con un valor de 5,09 x 10-11 Pa, debido a que se debe vencer las fuerzas de resistencia para generar movimiento, por lo que en la realidad la presi�n no es constante. (ver figura 10.).

 

Figura 10. Cambios de presiones en el flujo

El an�lisis de este trabajo como los resultados son similares� a los presentados por (Toapanta et al., 2018)� donde se recalca que en un flujo laminar la velocidad m�xima ocurre en el centro del perfil de velocidades y la presi�n� varia ligeramente para generar movimiento venciendo las fuerzas de resistencia.

Metodolog�a para an�lisis de un flujo en 2D

A partir de los procedimientos anteriores, se desarrolla la siguiente metodolog�a para an�lisis de un fluido. (ver figura 11).

Figura 11. Metodolog�a para an�lisis de fluidos

Conclusiones

En funci�n del objetivo de este trabajo de investigaci�n� se plantea las siguientes conclusiones:

�       Se ejecuto la simulaci�n num�rica para el an�lisis de flujo en 2D� en una� tuber�a, con 4 m de di�metro, modelado geom�tricamente con Designer Modeler. La modelaci�n se ejecuto para un fluido con velocidad de entrada de 5x10-4 m/s.

�       La velocidad m�xima se da en el centro de la tuber�a con un valor para el caso de estudio de 6,079 x10-4 m/s.

�       La presi�n en el flujo laminar real var�a ligeramente y su valor es 5,09 x 10-11 Pa, debido a que se necesita generar movimiento.

�       En cuanto al perfil de velocidades del flujo laminar se determino que la velocidad aumenta en un 1,2% mas que la velocidad inicial.

�       Se desarrollo un procedimiento y metodolog�a para analizar fluidos en 2D, mediante CFD, como herramienta acad�mica y de investigaci�n.

 

Referencias

1.     Cruz Gavilan, Y., Vald�s Hern�ndez, P. A., Laffita Leyva, A., G�mez �guila, M. V., Chuairey, C. M., Cruz Gavilan, Y., Vald�s Hern�ndez, P. A., Laffita Leyva, A., G�mez �guila, M. V., & Chuairey, C. M. (2020). Din�mica de Fluido Computacional: Revisi�n y an�lisis de las aplicaciones en la ingenier�a. Revista Ciencias T�cnicas Agropecuarias, 29(4). http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S2071-00542020000400009&lng=es&nrm=iso&tlng=en

2.     Cueva, I. (2021). Simulaci�n de flujo en una tuber�a en ANSYS Fluent. https://www.youtube.com/watch?v=IzhGf-Y_bz8

3.     Lluguay, K. (2016). Desarrollar un modelo CFD para el an�lisis del comportamiento del fluido en tuber�as del banco de p�rdidas de turbomaquinaria hidr�ulica y laboratorio. 98.

4.     Ordo�ez, M., Aquino, M., Pozo, E., & Orozco, L. (2018). Modelizaci�n CFD para determinar el comportamiento del fluido en tuber�as de PVC. https://doi.org/10.23857/dom.cien.pocaip.2017.4.1.enero.434-446

5.     P�rez Colas, M., N�poles Garc�a, M. F., & de la Cruz Aragoneses, M. de L. (2020). ESTUDIO DEL EFECTO DEL CALENTAMIENTO Y EL ENFRIAMIENTO DE LA BOTELLA DURANTE LA PASTEURIZACI�N DE LA CERVEZA. Centro az�car, 47, 32-41.

6.     Scientific. (2016). Din�mica de Fluidos Computacional o CFD: Entienda que es. ESSS. https://www.esss.co/es/blog/dinamica-de-fluidos-computacional-que-es/

7.     Tacle Humanante, P. M., Moya Rodr�guez, J. L., & Marty Delgado, J. R. (2019). MODIFICACIONES DE LA MATRIZ DE CONTRADICCIONES PARA EL DISE�O DE ENGRANAJES CIL�NDRICOS DE DIENTES RECTOS DE MATERIAL PL�STICO. Centro az�car, 46, 86-96.

8.     Tacle-Humanante, P. M., Moya-Rodr�guez, J. L., & Marty-Delgado, J. R. (2019). El �ndice de Robustez como par�metro para evaluar el comportamiento de las transmisiones por engranajes cil�ndricos de dientes rectos. Ingenier�a Mec�nica, 22, 57-66.

9.     Toapanta, L. F., Pe�afiel, G. A. B., Vivas, L. E. C., & Sarzosa, W. Q. (2018). An�lisis num�rico de los perfiles de velocidad de un flujo de agua a trav�s de una tuber�a con reducci�n gradual.

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� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)