XVI Seminario Iberoamericano sobre Sistemas de abastecimento e Drenagem

Modelación numérica de medidores Venturi y Orificio mediante CFD

Alex Novoa Silva (Universidad de Talca)Daniel Mora Meliá (Universidad de Talca)

Vicente S. Fuertes Miquel(Univ. Politécnica de Valencia) Jimmy H. Gutierrez Bahamondes (Universidad de Talca)

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Índice de contenido

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Introducción y Motivación

Caso de estudio

Metodología

o Modelo teórico

o Experimentación laboratorio

o Modelo CFD

Resultados

Conclusiones

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Introducción

La Dinámica de Fluidos Computacional o CFD combina dinámica de fluidos,programación y métodos numéricos para simular el comportamiento del flujode fluidos.

Durante los últimos años, laCFD se ha convertido enuna herramienta muyutilizada en la industria.

Estudios conceptualesde nuevos diseños.

Desarrollo de nuevosproductos.

Análisis de problemas.

Investigación básica yaplicada.

Análisis de flujo

Turbomáquinas

Turbulencia

Cavitación

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Motivación

• Las herramientas CFD no son presentadashabitualmente en programas de pregrado y/o librosde texto.

• Los problemas “referencia” o de “tutoriales” a vecesno son suficientemente representativos para lamadurez mental de un alumno de pregrado.

• Como consecuencia, se utilizan los productos CFDcomo una "caja negra", donde los usuariosproporcionan entradas mínimas.

• No entender las limitaciones de tales simulaciones yconfiar en datos incorrectos puede ser muy costoso.

Necesidad de introducir la dinámica de fluidos computacional en formación de grado de los

ingenieros

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Metodología

El objetivo es integrar docencia teórica, de laboratorio y simulacióncomputacional en cursos básicos de Mecánica de Fluidos y/o Hidráulica

Determinación de la razón de flujo por medidores de presión diferencial

Estudio de pérdidas de carga.

Válvulas.

Codos.

Estrechamientos/Ensanchamientos, etc.

Descarga por orificios.

Simulación de vertederos en lámina libre.

¿Cómo?Validación de experiencias de laboratorio en cursos básicos

1) Docencia de aula: Académico

2) Laboratorio: Alumnos

3) Lab computacional

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Caso de EstudioMedidores de presión diferencial

Fundamentos teóricos

Simplificaciones del flujo.

Ecuaciones continuidad yBernoulli.

Deducción de las expresiones.

Variaciones entre ecuacionesteóricas y reales, definición decoeficiente de descarga Cd

𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐶𝑑𝐴2

2𝑔𝑃e − 𝑃s𝛾

1 −𝐴2𝐴1

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Fundamentos (CFD)

Procesos físicos planteados como unaserie de ecuaciones en derivadasparciales (Navier-Stokes).

La CFD es capaz de resolver estasecuaciones en una región de interés.

Ventajas y desventajas.

Propuesta proyecto y aplicación

1) Docencia de aula: Académico

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MetodologíaMedidas experimentales

Evaluación computacional del impacto de los techos verdes en la reducción de inundaciones en la región central de chile Carlos S. Lopez; Daniel Mora; Pablo Ballesteros; Jimmy H. Gutierrez; Vicente S. Fuertes

Apreciación visual clara de losprincipios hidráulicos.

Datos:• Dimensiones relevantes

(fabricante).• Propiedades del fluido

(Temperatura del agua).• Presiones agua arriba y

abajo de los medidores• Caudales

2) Laboratorio: Alumnos

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Modelación CFD

Pre-proceso Post-procesoSimulación

Definición de la geometría (Ansys Meshing)• Especificar límites físicos del fluido• Definir modelo a ensayar (2D o 3D)

Generación de la malla (Ansys Meshing)• Dividir dominio del fluido• Establecer tamaños de celda y

plantear importancia análisis desensibilidad

Definición de las condiciones de contorno• Superficies de entrada, salida y

pared.

3) Laboratorio computacional

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Modelación CFD

Post-procesoSimulación

Definición del modelo de turbulencia• Modelo k-ɛ propuesto por Launder y

SpaldingPropiedades del fluido

• Viscosidad, densidad, propiedadestérmicas, etc.

Condiciones iniciales del problema• Velocidad de entrada• Presión de salida

Condiciones de convergencia• Error menor a 10-3 en ecuaciones de

continuidad, momento de Navier-Stokes (x, y, z) y en el modelo deturbulencia.

3) Laboratorio computacional

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ResultadosAnálisis de sensibilidad

El análisis de sensibilidad del tamaño de celda muestra

como el valor de la presión de entrada se estabiliza a partir de un determinado

tamaño de celda

El medidor de placa orificio requiere de un menor tamaño de elemento,

debido a la mayor turbulencia existente en la singularidad

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ResultadosValidación modelo CFD

Evaluación computacional del impacto de los techos verdes en la reducción de inundaciones en la región central de chile Carlos S. Lopez; Daniel Mora; Pablo Ballesteros; Jimmy H. Gutierrez; Vicente S. Fuertes

Los resultados permiten validar el modelo CFD

representando el comportamiento de tubos

Venturi y placa orificio.

Pequeñas discrepancias debido a ineludible error experimental:

- - Desgaste equipo

- - Caudal medido por aforo

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ResultadosDeterminación coeficientes descarga

El modelo muestra buen ajuste para el rango de

Reynolds ensayados (2.500-10.000)

Los Cd están en el orden de los esperados según los valores referenciales que ofrece la literatura.

Aplicación: Obtención CD

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Discusión de resultados

De acuerdo a las necesidades actuales de la industria, este trabajo plantea metodologíasque faciliten la integración de la dinámica de fluidos computacional en cursos básicos demecánica de fluidos/hidráulica.

En específico y de acuerdo a los resultados piloto con el laboratorio de medidores depresión diferencial:

El tamaño y la calidad de la malla desempeñan un papel clave en la estabilidad yprecisión de los cálculos numéricos. La calibración del modelo debe ser adecuada,por lo que se requiere de validación de datos experimentales

La representación de los valores de flujo y presión muestran la buenacorrespondencia entre la simulación CFD y el comportamiento de los medidoresVenturi y placa orificio.

Los resultados obtenidos son utilizados para determinar coeficientes de descarga,obteniéndose valores similares a los ofrecidos por la literatura.

La CFD permite estudiar en detalle las características de comportamiento de numerosos elementos hidráulicos. Los alumnos encuestados al final del curso de Mecánica de Fluidos valoran positivamente el aprendizaje conjunto de todas las metodologías.

XVI Seminario Iberoamericano sobre Sistemas de abastecimento e Drenagem

Muchas gracias

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