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Dinámica de fluidos computacional

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una ciencia sobre la simulación numérica y “predice el flujo de los fluidos, transferencia de calor y fenómenos relacionados tales como reacciones químicas, combustión, aeroacústica etc. La dinámica de fluidos computacional tuvo origen a partir de la combinación de dos disciplinas: mecánica de fluidos y cálculo numérico” (ESSS, 2016).

La ecuación principal que se resuelve en CFD es la ecuación del teorema de transporte de Reynolds o también conocida como ecuación de transporte, esta es una representación general de las ecuaciones de conservación (ver ecuación 1.1). El teorema de Reynolds es la
relación entre las razones de cambio respecto al tiempo de una propiedad extensiva entre un sistema y un volumen de control; pues resulta más conveniente trabajar con volúmenes de control, ya que los fluidos se deforman y distorsionan constantemente haciendo difícil seguir la misma masa todo el tiempo.

Del teorema de transporte de Reynolds se deduce las ecuaciones de conservación de masa, conservación de momento y conservación de energía; cada una de estas es resuelta en cada uno de los volúmenes de control que conforman la discretización del dominio (mallado de
la geometría). En la figura 1, se puede apeciar la discretización de una tubería en pequeños volúmenes de control.

1. Modelamiento hidráulico tridimensional
En la actualidad el modelamiento numérico de estructuras hidráulicas, tales como obras de regulación, trasvases, obras de regadío, obras de saneamiento y drenaje urbano, entre otras, permite verificar y optimizar sus respectivos diseños; convirtiéndose en la herramienta
predilecta para simular el comportamiento de los fluidos en las estructuras, gracias a la reducción de tiempo, costos y estudios con mayor generalidad que permiten obtener información tanto cualitativa como cuantitativa de diferentes variables como velocidades, presiones, turbulencia, vorticidad, esfuerzos de corte, etc. en cualquier parte del dominio resultando una gran ventaja en comparación a los modelos físicos, en los cuales es difícil de obtener (Mendoza, 2022). A continuación, se presenta una comparación entre los dos tipos de simulaciones.

Tabla 1: Fortalezas y debilidades de la modelación física y numérica.

Modelación FísicaModelación Numérica
FortalezasEs tradicional y confiable.Los fenómenos son reproducidos de manera natural en su mayoría.Se pueden implementar cambios pequeños. Facilidad de ensayar diversos escenarios relacionados al caudal.Son baratos y rápidos.Existe validación para diversos tipos de simulaciones.Fácil de implementar diferentes escenarios. Los modelos pueden almacenarse para volver a estudiarlos en el futuro.No se ven afectados en igual medida que los modelos físicos por los efectos de escala.
Debilidades Costosos y lentos.Se muestran rígidos frente a cambios de escenarios.Presenta limitaciones para extraer información. Son afectados por los efectos de escala. Efectos del modelo.Son efímeros.Requieren mucho espacio.Presentan limitaciones computacionales. La discretización afecta los resultados. Fenómenos de mallado, estos pueden afectar los resultados.Obtener buenos resultados depende de la experiencia del modelador.

1.1. Etapas de una modelación numérica.
1.1.1. Preprocesamiento, esta etapa está conformada por:
• Identificación del dominio.
• Creación o importación de la geometría.
• Elaboración del mallado.
• Configuración del tipo de análisis
• Configuración del dominio.
• Configuración de las condiciones de frontera e iniciales.
• Configuración del solver, el cual comprende los controles y criterios de
convergencia.

1.1.2. Solver, esta etapa está conformada por:
• Configuración del solver Manager.
• Verificación del cumplimiento de los controles y criterios de convergencia.
• Verificación del cumplimiento de las ecuaciones de conservación.

1.1.3. Postprocesamiento, esta etapa está conformada por:
• Obtención de resultados cualitativos.
• Obtención de resultados cuantitativos.

1.2. ¿Por qué realizar simulaciones?
Como se mencionó anteriormente, las simulaciones nos permiten verificar y optimizar el diseño de las estructuras hidráulicas, con lo cual se evitarían posibles problemas ocasionados por fenómenos como erosión, socavación, cavitación, etc. en estructuras una vez construidas.
Por ejemplo, en el trabajo de investigación realizado por Artega (2017) logra simular los efectos de desgaste erosivo presentes en la bocatoma de la central hidroeléctrica María auxiliadora de Quiroz (ver figura 2), en este trabajo concluye que tanto las velocidades como
los esfuerzos cortantes altos influyeron la erosión de dicha estructura (ver figura 3 y 4).

Ahora bien, preguntémonos si estos problemas se hubieran presentado en el caso hipotético de haberse realizado una simulación previa a la construcción de dicha estructura hidráulica.

Figura 2. Erosión en la poza de disipación de la bocatoma maría Auxiliadora Fuente:

Universidad de Piura (2002)

Figura 3 Velocidad superficial del flujo en la bocatoma María Auxiliadora.

Fuente: Arteaga (2017)

Figura 4. Esfuerzos cortantes en la bocatoma María Auxiliadora.

Fuente: Arteaga (2017)

Bibliografía

Arteaga, F. (2017). Análisis hidráulico de la bocatoma María Auxiliadora del Río Quiroz con modelo numérico tridimensional (Tesis para optar el título de Ingeniero Civil). Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Civil. Piura, Perú.

ESSS. (2016). Dinámica de Fluidos Computacional o CFD: entienda que es. https://www.esss.co/es/blog/dinamica-de-fluidos-computacional-que-es/

Hollingshead, C.L., Johnson, M.C., Barfuss, S.L. Spall, R. (2011). Discharge coefficient performance of Venturi, standard concentric orifice plate, V-cone and wedge flow meters at low Reynolds numbers. Journal of Petroleum Science and Engineering

Mendoza, B. (2022). Simulación del flujo del salto de esquí y de la poza de disipación debido a un mal funcionamiento en la disipación de energía ocasionado por un obstáculo frontal al Reservorio Poechos utilizando el programa Ansys CFX (Tesis para optar el título de Ingeniero Civil). Universidad de Piura, Facultad de Ingeniería. Programa Académico de Ingeniería Civil. Piura, Perú.

Universidad de Piura (2002). Diagnóstico de la situación y recomendaciones para el funcionamiento adecuado y para una futura ampliación de la infraestructura de la C.H. María Auxiliadora – Quiroz.

AUTOR

Ing. Brayand Daniel Mendoza Cruzado

Revisado por el AREA ACADEMICA CEINTPERU SAC

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