Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Análisis de perfil de velocidad y gradientes de presión mediante el uso del software ANSYS CFX 30-jul-15, I Término 2015-2016 Afonso González Dácil Ione
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected]
Resumen
En esta práctica se realizó un análisis de perfil de velocidad y gradientes de presión mediante una simulación en el software ANSYS CFX con el fin de estudiar sus vectores de velocidad, veloci dad, el contorno de presión y los valores de presión a la entrada y a la salida. Para la introducción de los datos hubo que calcular el flujo másico en base a los ya conocidos. Palabras clave: simulación, ANSYS, perfil de velocidad, grandientes de presión.
Abstract
In this practice an analysis of velocity profile and pressure gradients was performed using a simulation in ANSYS CFX software in order to study their velocity vectors, the contour
of pressure and pressure values at the inlet and the outlet. For data entry it was necessary to calculate the mass flow based on the known data. Key words: simulation, ANSYS, velocity profile, pressure gradients.
Introducción
Cuando observamos fluidos en movimiento, vemos varios tipos evidentes de movimiento que parecen fundamentalmente diferentes. Consideremos, por ejemplo, el movimiento muy irregular y aparentemente imposible de predecir, que lleva el agua en una corriente rápida y turbulenta y comparémoslo con la circulación regular y tranquila en un río ancho. En la circulación irregular o turbulenta, un elemento de fluido se mueve siguiendo una trayectoria aparentemente al azar, no muy diferente del movimiento de una molécula en un gas. En cambio, en la circulación regular o laminar, cada elemento de fluido sigue una trayectoria bien definida. Otro tipo de movimiento es la salida de un líquido por un grifo o una manguera en los cuales el chorro de agua se divide en gotitas que se mueven como puntos materiales sueltos. Un elemento de un fluido en régimen laminar sigue una trayectoria bien definida que se conoce como línea de corriente. En cada punto, la velocidad tiene la dirección de las líneas de corriente; luego, dibujando el vector velocidad en cada punto del fluido habremos especificado totalmente su estado de movimiento. Cuando cada punto del espacio define de esta manera un vector velocidad, decimos que el movimiento está especificado por un campo de vectores velocidad. [1]. Este software se basa en diferenciales finitos. Debemos Debemos especificar todos los datos detalladamente para evitar suposiciones automáticas automáticas del ordenador. La ecuación de Bernoulli es una relación aproximada entre la presión, la velocidad y la elevación , y es válida en regiones de flujo estacionario e incompresible en donde las fuerzas netas de fricción son despreciables. Pese a su simplicidad la ecuación de Bernoulli demostró que es un instrumento muy potente en mecánica de fluidos. [2] Bernoulli implica la disminución de la presión de un fluido (líquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad. El teorema afirma que la energía total de un
sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión.
Equipos e Instrumentación
En esta práctica solamente se hizo uso de un ordenador en el que se utilizó el software WORKBENCH-ANSYS CFX.
Procedimiento experimental
Ejecutamos el programa WORKBENCHANSYS y en la caja de herramientas seleccionamos “CFX”. Clicamos en “geometría” para importar los archivos de formato STEP (.stp) correspondientes. Tras cerciorarnos de que no existe ningún tipo de irregularidad en las superficies del modelo, se define la entrada y la salida del sistema. A continuación, hacemos clic en “Mesh” y posteriormente en “Mesh” y “Details of Mesh”. En la sección “sizing” escogemos “Fine” en “Relevance Center ”. ”. Cerramos la ventana “Mesh” y clicamos en “Setup”. Lo ideal es crear un mallado fino para ganar precisión sin excedernos excedernos demasiado, ya que no interesa que el programa se sature. Una vez vez aquí, nos dirigimos a “dominio del fluido” y escogemos “fluido continuo” y “ presión de referencia 1 atm”. Posteriormente, en modelos del fluido, elegimos “isotérmico [20º C] y modelo turbulencia k-e. Para validar los valores ingresados, hacemos clic en aplicar y seguidamente, click derecho en “dominio del fluido” para seleccionar “Boundary”. En esta sección creamos las fronteras del modelo. En “Inlet” se ingresa la presión estática
[200000 Pa] y en “Outlet” el flujo másico que es dependiente del número de Reynolds y de las propiedades del fluido a temperatura constante. Además, para la pared se selecciona la condición de no deslizable y superficie rugosa [=0.045 ]. El ordenador trabaja la condición de no deslizante con las ecuaciones de Navier-Stokes. Resultados
Los resultados se muestran en el anexo, así como los cálculos pertinentes. Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones
El perfil de velocidades se muestra con errores, ya que según este diagrama, la velocidad máxima se produce en lo alto y sin embargo, por simetría, debería ser a la mitad del tubo.
Como consecuencia, también existen errores en la simulación de la presión a lo largo de la pieza. Ésta resulta ser mínima donde la velocidad es máxima y viceversa, como cabe esperar, pero su situación es incorrecta. Obviamente, en esta práctica los errores que se produjeron son debido a una mala introducción de los datos o de manipulación de software. Con lo cual, conviene estudiarlo más a fondo y reintentar la simulación para conseguir los valores teóricamente esperados.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información
[1] Ingard U., Kraushaar W.,(1966) Introduction to mechanics , matter, and waves. 1st ed. Reverté [2] Çengel Y., Cimbala J. (2006) FLUID MECHANICS. FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS. APPLICATIONS. 1st ed. McGraw-Hill.
ANEXO Resultados
Mallado de la pieza
Perfil de velocidades
Gradientes de presión
Flujo másico y cantidad de movimiento
Turbulencias
Cálculos A continuación se procede a mostrar el cálculo cálculo del flujo másico .
Los datos conocidos en este caso son:
De la ecuación del número de Reynolds, podemos despejar fácilmente V:
El valor que se acaba de calcular nos permite conocer el caudal:
Y por último, se halla el flujo másico:
