Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

 

 

Diseo de una metodologa 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 anlise de

fluxo de transporte 2d usando dinmica de fluidos computacional

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculos de investigacin

 

*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 Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

     II.          Ingeniero Qumico, Magster en Qumica, Investigador independiente, Riobamba, Ecuador.

 


Resumen

La metodologa CFD es un mtodo numrico que consiste en dividir el sistema de inters en volmenes pequeos, donde se resuelven de forma aproximada las ecuaciones generales del fluido. Esto permite obtener resultados en cada punto del sistema y evaluar ms rpido, cualquier cambio en las condiciones de este. El objetivo de este trabajo de investigacin es comprender el comportamiento del flujo en 2D (dos dimensiones) de un fluido a travs de una tubera horizontal de transporte analizando la velocidad mxima, perfil de velocidades y presin, desarrollando un procedimiento para el anlisis de fluidos. La dinmica de fluidos computacional (CFD), es un enfoque til para resolver las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos, mediante mtodos numricos y tcnicas computacionales; esta rea de la mecnica proporciona los fundamentos de la hidrulica de tuberas e hidrulica de canales. Se utiliza el mtodo de la dinmica 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 lquida. Se emplearon clculos mediante el uso del modelo simple del software. Esta simulacin proporciona los valores de los contornos de presin, velocidad mxima dentro de la tubera y permite generar una metodologa general para el anlisis de flujos como herramienta para la academia e investigacin.

Palabras clave: Fluidos; ANSYS fluent; presin; 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 mtodo numrico que consiste em dividir o sistema de interesse em pequenos volumes, onde as equaes gerais do fluido so aproximadamente resolvidas. Isso permite obter resultados em cada ponto do sistema e avaliar mais rapidamente qualquer mudana nas condies do sistema. O objetivo deste trabalho de pesquisa compreender o comportamento do escoamento em 2D (duas dimenses) de um fluido atravs de um duto de transporte horizontal por meio da anlise da velocidade mxima, perfil de velocidade e presso, desenvolvendo um procedimento para a anlise de fluidos. A dinmica de fluidos computacional (CFD) uma abordagem til para resolver as equaes que descrevem o movimento dos fluidos, usando mtodos numricos e tcnicas computacionais; Esta rea da mecnica fornece os fundamentos da hidrulica de dutos e hidrulica de canal. O mtodo de dinmica de fluidos computacional (CFD) usado com o software Ansys 2020. Os resultados so mostrados, os perfis de velocidade foram determinados para um fluxo laminar de 6,079 x10-4 m / s para fluido de trabalho de gua lquida. Os clculos foram usados ​​usando o modelo de software simples. Esta simulao fornece os valores dos contornos de presso, velocidade mxima dentro da tubulao e permite gerar uma metodologia geral para a anlise de escoamentos como ferramenta para academia e pesquisa.

Palavras-chave: Fluidos; ANSYS fluente; Presso; Rapidez; fluxo.

 

Introduccin

En la actualidad el uso de herramientas computacionales y su integracin al anlisis 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 parbola y la velocidad mxima 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 simulacin numrica del flujo de un fluido, trasferencia de calor, reacciones qumicas, combustin entre otros se analiza en la dinmica de fluidos computacional CFD (Computational Fluid Dynamics). El origen del CFD se dio al combinar dos disciplinas: mecnica de fluidos y clculos numricos. Las ecuaciones que gobiernan el flujo de un fluido estn basadas en la mecnica de fluidos y su resolucin se da por diferentes mtodos numricos. La ecuacin de transporte de la variable de inters (Φ) es una de las ecuaciones ms importantes resuelta por CFD, adems las ecuaciones de conservacin resueltas tienen cuatro trminos: trmino de tiempo, trmino advectivo, trmino difusivo y trmino fuente. Por ejemplo, para la ecuacin de conservacin de masa (o continuidad), la variable Φ es igual a 1, el coeficiente de difusin y la fuente son nulos. (Scientific, 2016)

De esta manera (Scientific, 2016) menciona que el mtodo de elementos finitos y el mtodo de volmenes finitos son considerados los mtodos de discretizacin ms divulgados . Con este tipo de mtodos se cambia el dominio continuo por el dominio discreto, donde el dominio original es representado por un conjunto de volmenes de control. La forma algebraica que representa a la ecuacin de transporte de la variable de inters (Φ) es solucionada en cada volumen de control mediante un sistema de ecuaciones. Por lo general estas ecuaciones tienen una resolucin ms rpida y precisa con CFD as dando solucin a diversos problemas de mecnica de fluidos.

En un sistema de tuberas el paso de un fluido radica en que los flujos quedan limitados principalmente por las superficies slidas. En este tipo de sistemas de tuberas se puede tener dos tipos de flujos: laminar o turbulentos asociados al dimetro de las tuberas y velocidad del fluido, adems el nmero del Reynolds que depende de la viscosidad, densidad, dimetro de la tubera y velocidad del flujo establecer la naturaleza que tiene el flujo. (Ordoez et al., 2018)

Es as que (Cruz Gavilan et al., 2020) realiz una revisin y anlisis de CFD aplicados a la ingeniera, con nfasis en la ingeniera agrcola. Este anlisis se centra en las aplicaciones fundamentales como la mejora en el diseo y estructura de fluidos para riego, equipos agrcolas brindando la posibilidad de valorar distintas opciones de diseo y simulacin de procesos. Las investigaciones realizadas pertenecen al campo de la ingeniera Agrcola, anlisis terico y elementos finitos de prdidas de carga en un sistema de riego de pivote central, bombas centrfugas, efecto del viento en el flujo de aire de aspersores agrcolas 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 conservacin de masa y cantidad de movimiento. Estas ecuaciones fueron resueltas en base a simulacin numrica por mtodo de volmenes finitos y la discretizacin del dominio por mallado no estructurado por mtodo tetradrico. Adems, analiz el flujo de fluidos en tres tramos de las tuberas tomados del banco de pruebas. Finalmente realiz una validacin de resultados mediante el software ANSYS CFX.

Otro autor (Toapanta et al., 2018) investig el comportamiento del flujo de agua a travs de una contraccin gradual para el clculo de las prdidas en los cambios de geometra debido al cambio transversal del rea dando a notar la importancia del anlisis del flujo a travs de las tuberas, adems determin los perfiles de velocidad del flujo empleando clculos del modelo K-psilon. As esta simulacin proporciono valores de la velocidad y turbulencia cintica del fluido agua en varias secciones del sistema de tuberas.

A partir de lo anterior, la presente investigacin 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 clculo de velocidad mxima, el perfil de velocidades, presiones a la entrada y salida de la tubera, como desarrollar un aporte de una metodologa de anlisis para fluidos en volmenes finitos. En la actualidad, una alternativa muy prctica e importante es el anlisis y estudio de fluidos a partir de simulaciones con el empleo de mtodos numricos computacionales.(Tacle-Humanante et al., 2019)

 

Materiales y mtodos

La dinmica de fluidos computacional basa su mtodo de solucin en volmenes finitos. Una importante propiedad es que los principios de conservacin (masa, momento y energa), las mismas que son la base para la modelacin de la mecnica del continuo, son respetadas por las ecuaciones discretas deducidas del mtodo de volmenes finitos.

Este trabajo se realiza con la ayuda de mecnica computacional de fluidos CFD, el sistema a ser analizado est formado por una tubera horizontal de dimetro 4 m y longitud 40 m, flujo laminar, en las que se conocen las condiciones de diseo.(Prez Colas et al., 2020)

 

Condiciones Iniciales:

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

 

 

Tabla 1. Condiciones del problema

Variables para analizar

 

Fluido de trabajo

Agua Lquida

Flujo

Laminar

Dimetro tubera

4 m

Velocidad de entrada

0,0005 m/s

 

Procedimiento para uso y anlisis en CFD:

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

1.     Abrir el programa Ansys Workbench

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

Figura 1. Modulo Fluid Flow (Fluent) de CFD

Luego dibujar la geometra en Designer Modeler, modelador propio del programa, (Tacle Humanante et al., 2019) se analiza una tubera horizontal que presenta las siguientes dimensiones: (4m de dimetro x 40 m de longitud), segn se muestra en la figura 2

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2. Modelado geomtrico de la tubera

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 tubera 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 parmetros mediante el solver de Ansys Fluent. (ver figura 5.)

Figura 5. Solver de ansys fluent

 

Se selecciona un modelo de anlisis laminar y como fluido de trabajo agua lquida. (ver figura 6.)

 

Figura 6. Modelo de anlisis

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

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 7. Iteraciones para calcular

 

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

 

Resultados y discusin

Se inicia la simulacin de un fluido de trabajo (agua lquida) con el modelo laminar. La velocidad de entrada a la tubera es de 5x10-4 m/s. En la siguiente figura 8 se puede observar la velocidad mxima del fluido que tiene un valor de 6,079 x10-4 m/s.

Figura 8. Velocidad mxima del flujo

Mediante este anlisis CFD para fluidos en la figura 9 se observa el perfil de velocidades en forma de parbola donde el comportamiento de la velocidad del fluido es mximo en la lnea 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 presin para que exista movimiento. En los contornos de la tubera se observa velocidades del flujo bajos debido al rozamiento.

Figura 9. Perfil de Velocidades

 

Luego analizamos la presin 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 presin no es constante. (ver figura 10.).

 

Figura 10. Cambios de presiones en el flujo

El anlisis 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 mxima ocurre en el centro del perfil de velocidades y la presin varia ligeramente para generar movimiento venciendo las fuerzas de resistencia.

Metodologa para anlisis de un flujo en 2D

A partir de los procedimientos anteriores, se desarrolla la siguiente metodologa para anlisis de un fluido. (ver figura 11).

Figura 11. Metodologa para anlisis de fluidos

Conclusiones

En funcin del objetivo de este trabajo de investigacin se plantea las siguientes conclusiones:

       Se ejecuto la simulacin numrica para el anlisis de flujo en 2D en una tubera, con 4 m de dimetro, modelado geomtricamente con Designer Modeler. La modelacin se ejecuto para un fluido con velocidad de entrada de 5x10-4 m/s.

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

       La presin en el flujo laminar real vara 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 metodologa para analizar fluidos en 2D, mediante CFD, como herramienta acadmica y de investigacin.

 

Referencias

1.     Cruz Gavilan, Y., Valds Hernndez, P. A., Laffita Leyva, A., Gmez guila, M. V., Chuairey, C. M., Cruz Gavilan, Y., Valds Hernndez, P. A., Laffita Leyva, A., Gmez guila, M. V., & Chuairey, C. M. (2020). Dinmica de Fluido Computacional: Revisin y anlisis de las aplicaciones en la ingeniera. Revista Ciencias Tcnicas 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). Simulacin de flujo en una tubera en ANSYS Fluent. https://www.youtube.com/watch?v=IzhGf-Y_bz8

3.     Lluguay, K. (2016). Desarrollar un modelo CFD para el anlisis del comportamiento del fluido en tuberas del banco de prdidas de turbomaquinaria hidrulica y laboratorio. 98.

4.     Ordoez, M., Aquino, M., Pozo, E., & Orozco, L. (2018). Modelizacin CFD para determinar el comportamiento del fluido en tuberas de PVC. https://doi.org/10.23857/dom.cien.pocaip.2017.4.1.enero.434-446

5.     Prez Colas, M., Npoles Garca, M. F., & de la Cruz Aragoneses, M. de L. (2020). ESTUDIO DEL EFECTO DEL CALENTAMIENTO Y EL ENFRIAMIENTO DE LA BOTELLA DURANTE LA PASTEURIZACIN DE LA CERVEZA. Centro azcar, 47, 32-41.

6.     Scientific. (2016). Dinmica 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 Rodrguez, J. L., & Marty Delgado, J. R. (2019). MODIFICACIONES DE LA MATRIZ DE CONTRADICCIONES PARA EL DISEO DE ENGRANAJES CILNDRICOS DE DIENTES RECTOS DE MATERIAL PLSTICO. Centro azcar, 46, 86-96.

8.     Tacle-Humanante, P. M., Moya-Rodrguez, J. L., & Marty-Delgado, J. R. (2019). El ndice de Robustez como parmetro para evaluar el comportamiento de las transmisiones por engranajes cilndricos de dientes rectos. Ingeniera Mecnica, 22, 57-66.

9.     Toapanta, L. F., Peafiel, G. A. B., Vivas, L. E. C., & Sarzosa, W. Q. (2018). Anlisis numrico de los perfiles de velocidad de un flujo de agua a travs de una tubera con reduccin gradual.

 

2021 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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

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