Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Análisis de perfil de velocidad y gradientes de presión Mediante el uso del software softwa re ANSYS CFX Miércoles 11 de Enero del 2017, 2do término Calderón Orellana Clemente Antonio Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias Cienc ias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen La práctica fue realizada con el objetivo de analizar el comportamiento del flujo, a través de la sección de una tubería, la cual fue modelada virtualmente en el software de Solidworks. Cabe recalcar que al realizar la tubería en este programa, no se modela solamente la tubería, se define la forma del flujo con la que trabaja el software de análisis. El modelado se exporta hacia Ansys CFX, en el cual se realizó el análisis de perfil de velocidad, sus vectores, el flujo y a la vez los gradientes de presión dentro de la tubería. Los resultados obtenidos fueron netamente visuales, dado que se realizó una simulación de la interacción de un flujo dentro de una tubería y comprobar según lo aprendido en la teoría como el flujo viaja en codos o secciones rectas.
Palabras Clave: Ansys CFX, Solidworks, perfil de velocidad, gradiente de presión. Introducción En la práctica se utilizan programas de análisis y diseño para poder visualizar visualizar y analizar un flujo a través de una tubería, especificando que el flujo a trabajar se trató de agua. Para esto es necesario conocer conocer que se s e trató de analizar y el uso de estos programas. programas. Uno de los programas con los que se trabajó, es Solidworks, el cual se lo puede definir como un programa programa de diseño asistido por computadora, computadora, el cual permite diseñar, modelar e inclusive realizar análisis en diferentes áreas de trabajo. El sistema trabaja con las nuevas técnicas de modelado con sistema de CAD. Para el análisis se usó el programa de Ansys CFX, en el mercado se encuentran diferentes programas programas capaces capaces de realizar dicho análisis pero se optó por este programa debido a su mayor exactitud en los resultados. El programa de Ansys CFX y Fluent CFD es un software completo de dinámica de fluidos
computacional, el cual permite modelar el flujo de fluidos y otros fenómenos físicos relacionados. Permite realizar análisis de flujo de fluidos, con la ayuda de herramientas de diseño y optimiza equipos de fluidos nuevos. Las soluciones que se pueden simular en su capacidad son de aerodinámica, combustión, hidrodinámica, mezclas de líquidos, sólidos y gases; dispersiones de partículas entre otros. Los fenómenos de flujo transitorio y de estado estable se resuelven fácil y rápidamente. Los resultados que muestra este software sobre el flujo de fluidos, el flujo de partículas, entre otros parámetros como evolucionan con respecto al tiempo. (Caeai.com, 2017) Para entender el análisis correspondiente es necesario revisar la teoría con respecto a perfil de velocidad y el número de Reynolds. El perfil de velocidad no es más que la demostración gráfica de la magnitud de la
velocidad de diferentes partículas viajando en un mismo flujo.
Donde a es la longitud del cuerpo inclinado de la tubería.
El número de Reynolds es un parámetro que determina el comportamiento de los fluidos
En la realización del modelado de la tubería se utilizó la vista de planta para evitar que el análisis se vea afectado por efectos de la gravedad. Este se debe guardar en formato STEP (.stp) para que sea factible la exportación de este al programa de ANSYS, dado que en otro formato no lo reconocería.
newtonianos:
Donde V= velocidad y características del
L=
Longitud flujo.
El número de Reynolds nos permite identificar si el fluido a tratar es laminar o turbulento. Para tuberías circulares el número de Reynolds se los puede clasificar de la siguiente manera:
En la práctica se trabajaron con fluidos turbulentos dado que el número con que se trabajó resulto mayor a 4000, esto nos permitió tener una referencia de lo analizado en la práctica. (White, 2004)
Equipos, Instrumentación y Procedimientos En esta práctica no se requirió de un equipo en especial, solo una computadora con los programas mencionados de Solidworks y Ansys CFX. En solidworks se realizó el diseño de la tubería, el cual se lo exportó al programa de análisis y simulación. El elemento diseñado consistió en una tubería el cual representaba al volumen del fluido a analizar. Las especificaciones de la tubería fueron las siguientes:
Diámetro de Tubo D=500mm
Relación a/D = 1,67
Angulo entre la entrada de tubería y el cuerpo de la tubería: 150º
Siguiendo los pasos dictados en la guía, se procedió a la simulación. Se abrió el programa de Workbench- Ansys, en el cual en la barra de toolbox se encontró la opción de CFX, al escoger esta opción aparece un cuadro con más opciones, en las cuales se procedió a utilizar la opción geometría la cual permitió exportar el modelado realizado en solidworks en formato STEP. Importado el documento, se verificó que no exista discontinuidad en las superficies del modelado 3D, y se definieron las superficies de entrada y de salida del sistema. Se procedió a realizar el mallado, nos ubicamos en el cuadro de opciones y le dimos clic a Mesh, en el cual generamos un mallado, por medio de la opción generate mesh, luego en details of mesh, en sizing se escogió Fine en Relevance Center. Cerramos esta ventana. En Setup, al ingresar haciendo clic en dominio de fluido, se especificaron las condiciones de trabajo: fluido continuo, presión de referencia de 1 atm y sistema isotérmico a 20 ºC. Para finalizar, al hacer clic derecho en dominio de fluido, en Boundary, se especificaron las condiciones de frontera, siendo estas para presión de entrada 200000 Pa y la presión de salida dependiendo del número de Reynolds, además se especifica que la pared sea no deslizable y con superficie rugosa
Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones. Mediante las imágenes obtenidas por medio del programa tanto para velocidad y gradiente de presión se analizara cada una de ellas. Las imágenes se encuentran en la sección de anexos. En la figura 1, se puede observar como el perfil de velocidad en la sección de entrada representa una gráfica lineal, aumentando hacia la superficie inferior, recordar que la gráfica que observamos está en un plano invertido, lo cual la superficie inferior del tubo se encuentra arriba y la superficie de entrada en la parte derecha inferior. En la misma figura 1 podemos observar que la sección de salida, muestra un perfil de velocidad diferente donde la velocidad máxima no se encuentra en la superficie inferior como en la sección de entrada, esto debido a que el flujo no es laminar y existen puntos de estancamientos y fricción que disminuyen la velocidad. En la figura 2 se observan las líneas de corriente a 50 puntos. Se logra identificar turbulencia en la mayoría de la sección del tubo sobre todo en el centro de la tubería, y en los codos; las turbulencias en codos se deben a que el fluido tiende a seguir la trayectoria del volumen que lo contiene y al tener una sección variante, esta choca con la sección diferente lo cual ocasiona que las líneas de flujo laminar se ya no estén paralela ocasionando un enredo formando turbulencia y variaciones de velocidad debido a los cambios de direcciones bruscos. “
”
Por medio de la figura 6, podemos observar que la velocidad es máxima en la posición cercana al codo de entrada en la superficie superior, mientras que la velocidad mínima se encuentra en la posición de estancamiento del codo de entrada pero en la superficie inferior. Mientras que en el codo de salida en la superficie inferior, la posición de este nos muestra una zona turbulenta con velocidades variantes. En la figura 3, podemos observar con claridad las zonas de alta presión y de baja presión a lo
largo de la tubería donde las presiones máximas se encuentran en los codos representadas por regiones de color rojo y naranja, ubicando a la presión máxima en el codo de la salida de la tubería en la parte inferior soportando una presión aproximada de 200035 Pa. La presión mínima se la puede observar con un color azul, en la zona del codo de la entrada en superficie inferior, el valor mínimo de presión es de 199785 Pa. Mediante la figura 5 podemos corroborar los valores dado que esta gráfica nos indica las diferentes presiones a lo largo de la tubería en diferentes puntos de su diámetro. En la posición de 0,5 m a 0,7 m se encuentra una de las zonas de mayor presión, visualizando nuestra tubería en la figura 3 se observa que esta zona se refiere al codo de la sección de entrada, como era de saber en los codos se presentan zonas de alta presión para que el fluido pueda seguir el curso con normalidad y salga de estas secciones de estancamiento producidas por el cambio de sección. En la figura 4, tenemos los gradientes de presión en las secciones de entrada y salida; en la sección de entrada podemos visualizar que tiene un color naranja que representa al valor de 200 kPa, que coincide con el valor que especificamos en nuestra sección de trabajo. Por otro lado en la sección de salida, existe una variación de presión, la cual encuentra una zona de color amarillo que nos indica que esta zona tiene un valor menor de presión con respecto a su totalidad. Dicho valor se encuentra entre 199 kPa y 200 kPa. Esto se debe por la presencia de flujo turbulento lo cual varia la presión a lo largo de la tubería. Con la figura 5 de presión vs posición también se observa que el valor a la entra es de 200 kPa, por otro lado en la sección de salida se encuentra presiones con rango de 199970 a 200015 kPa.
Conclusiones Las zonas con mayor presión se presentan en los codos, dado que el flujo se tiende a estancar, por lo que se requiere una mayor presión para que el fluido pueda seguir su trayectoria, estas
presiones en los codos generan esfuerzos que se deben considerar a la hora de diseñar tuberías sobre todo con codos rectos.
Los codos presentan zonas de estancamiento, lo cual reduce drásticamente la velocidad en estas zonas, los cual resulta en una disminución de la velocidad en ciertas direcciones a la salida de la tubería, por lo cual se observa un perfil de velocidad diferente al de la entrada.
Las presiones mínimas y máximas se encuentran opuestas en las secciones del codo y opuestas entre los codos. Esto se debe por la variación brusca de uno que afectara al otro, de una forma inversa.
Recomendaciones
No modificar el número de divisiones predeterminado para realizar el mallado ya que el incremento de este puede saturar la memoria ram del computador llevándola al fallo.
Caicedo, S., Caicedo, S. and perfil, V. (2017). Qué es SolidWorks? [online] Disenandoen3d.blogspot.com. Available at: http://disenandoen3d.blogspot.com/2 012/01/que-es-solidworks.html [Accessed 22 Jan. 2017]. Caeai.com. (2017). Computational Fluid Dynamics: ANSYS CFX and FLUENT CFD Software | CAE Associates. [online] Available at: https://caeai.com/ansys-softwaresupport/ansyssoftware/computational-fluiddynamics-ansys-cfx-and-fluent-cfdsoftware [Accessed 23 Jan. 2017].
White, F. (2008). . Madrid: McGraw-Hill.
ESPOL, (2016) Guía de laboratorio de Mecánica de Fluidos I, Práctica Visualización de Flujos.
Bibliografía ANEXO A Figura 1. Vectores de velocidad a la entrada y salida de la tubería
Entrada
Salida
Figura 2. Líneas de corriente a lo largo de la tubería.
Entrada
Figura 3. Gradientes de presiones a lo largo de la tubería.
Vista Superior
Vista Inferior
Vista Lateral
Vista Lateral (Diferente Plano)
Figura 4. Gradiente de presión en la entrada y salida de la tubería
Entrada
Figura 5. Graficas Presión vs Posición
Salida
Figura 6. Graficas Velocidad vs Posición
