Simulación de flujo en medio poroso de una corriente...

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

)


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

)


exp_x sim1_x

Primera simulación

q  Pérdidas inerciales (10 m-‐1) y viscosas (10 m-‐2)


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

)


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

)


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

)


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

)


exp_y sim1_y sim2_y

D

Primera simulación

q  Pérdidas inerciales (30 m-‐1) en el primer árbol


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

)


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

)


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

)


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

)


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)

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