Simulación de flujo en medio poroso de una corriente forzada de aire
R. Salcedo (1); A. Bayón (1); P. Chueca (2)
(1) Universidad Politécnica de Valencia (2) Ins7tuto Valenciano de Inves7gaciones Agrarias
¿Qué es la CFD?
q Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Los modelos CFD emplean métodos numéricos para aproximar las ecuaciones que gobiernan el movimiento del flujo
v Visualización del comportamiento del flujo v Es7mación con detalle de propiedades v Ayuda a la toma de decisiones evitando ensayos costosos
Utilización de la CFD
q Aplicaciones en ciencias y tecnología Gran uso en ingeniería ambiental. Por ejemplo:
v Prevención de incendios forestales v Hidrología y construcciones hidráulicas v Ven7lación natural en edificaciones etc.
Flujo en un medio poroso
q Situación en muchos casos ambientales q Existe interés en simularlo correctamente por sus aplicaciones: v Estudio de acuíferos subterráneos v Comportamiento de yacimientos petrolíferos v Diseño de sistemas de drenaje v Tratamientos fitosanitarios en cul7vos arbóreos etc
Interacción vegetación-aire
q CaracterísBcas del flujo interno v Caída de presión de la corriente v Pérdida de velocidades
Por esa razón, junto a las morfología del follaje, la vegetación en CFD se simula generalmente como un cuerpo poroso y homogéneo.
Objetivo
q Enseñar al alumno a simular el comportamiento de una corriente forzada de aire en un medio poroso con CFD mediante un supuesto prácBco v Caracterizar la resistencia vegetal de un árbol frente al ven7lador de un pulverizador
v El alumno se familiarizará con las diferentes formas para ajustar la porosidad
v Los resultados serán comparados con datos experimentales para que el alumno también comprenda los conceptos de calibración y validación
Datos experimentales
q El modelo CFD parte de un ensayo de campo v Se trata de concienciar al alumno de la importancia de los datos experimentales
Diseño del modelo
x
y
q Plantear al alumno el concepto de dominio computacional
Generación de la malla
q Introducir al alumno en la discreBzación del modelo
Consideraciones previas
B A
D C
q Explicar que son condiciones de entrada: -‐ modelo k-‐ε standard -‐ superficie sólida lisa
q Definir variable obje7vo (velocidad) y uso de valores experimentales: 1) Datos entrada (A y B) 2) Validación antes y después del árbol (C y D)
Simulando la porosidad
q Supuestos: v Medio poroso saturado por el aire v Flujo gobernado por la ecuación de Darcy
q El código CFD usado trabaja con la porosidad mediante: v Pérdidas por inercia (m-‐1) v Pérdidas por viscosidad (m-‐2)
q Enseñar al alumno mediante tres simulaciones: 1) Considerando solo las pérdidas inerciales 2) Pérdidas inerciales más pérdidas viscosas
3) Pérdidas inerciales diferentes para cada árbol
q Simulaciones sencillas: v 500 iteraciones (7empo < 5 min) v Introducir el concepto de valor residual y convergencia
Primera simulación
q Solo pérdidas inerciales: 10 m-‐1
Validación antes del árbol (poste C)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y
C
Primera simulación
q Solo pérdidas inerciales: 10 m-‐1
Validación después del árbol (poste D)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐1,50 -‐1,00 -‐0,50 0,00 0,50 1,00 1,50
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y
D
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x
Primera simulación
q Pérdidas inerciales (10 m-‐1) y viscosas (10 m-‐2)
Validación antes del árbol (poste C)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x sim2_x
C
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y sim2_y
Primera simulación
q Pérdidas inerciales (10 m-‐1) y viscosas (10 m-‐2)
Validación después del árbol (poste D)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x sim2_x
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐1,50 -‐1,00 -‐0,50 0,00 0,50 1,00 1,50
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y sim2_y
D
Primera simulación
q Pérdidas inerciales (30 m-‐1) en el primer árbol
Validación antes del árbol (poste C)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x sim2_x sim3_x
C
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y sim2_y sim3_y
Primera simulación
q Pérdidas inerciales (30 m-‐1) en el primer árbol
Validación después del árbol (Poste D)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Altura (m
)
Velocidad horizontal Vx (m/s)
exp_x sim1_x sim2_x sim3_x
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-‐2,00 -‐1,00 0,00 1,00 2,00 3,00
Altura (m
)
Velocidad ver7cal Vy (m/s)
exp_y sim1_y sim2_y sim3_y
D
Conclusiones
q El alumno aprende a modelar la porosidad y a ajustar la resistencia al paso de un flujo en CFD mediante un caso prác7co de ingeniería ambiental
q También se repasan otros conceptos básicos como el diseño del modelo o la elección de las condiciones de contorno
q Por úl7mo se da especial importancia a la u7lización de los datos experimentales para el ajuste y validación del modelo
Simulación de flujo en medio poroso de una corriente forzada de aire
R. Salcedo (1); A. Bayón (1); P. Chueca (2)
Universidad Politécnica de Valencia (1); Ins7tuto Valenciano de Inves7gaciones Agrarias (2)