Proyecto de CFD

Modelos de Discretizacion Temporal

Felipe CondoJavier PortillaGeorge PizarroAlfredo Quiroz

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil-Ecuadorfrcondo@espol.edu.ec japortil@espol.edu.ec

ResumenEn el presente proyecto se ha realizado el modelado de agua a través de una bomba axial utilizando Ansys Fluent. Por medio de un modelo 3D se procedió a modelar el caso. Las dimensiones de este modelo son simplificaciones hechas al no contar con modelos de fabricantes. Debido a que una parte del fluido rota al estar en contacto con el Propeller se utilizó Rotating frame para modelar el flujo.Como resultado se obtuvo un modelo que explica el fenómeno físico que ocurre cuando un fluido atraviesa una bomba. Los resultados no coinciden con los datos de un propeller de diámetro semejante. Esto se debe a que el propeller utilizado no toma en cuenta el ángulo de ataque, ni ningún otro factor de diseño que afecta la geometría de los alabes de un propeller.

Palabras claves: Bomba axial, propeller, Fluent

Introducción

La presente proyecto tiene como objetivo realizar el modelado de flujo de agua a través de una bomba axial por medio de Ansys Fluent, para un caso estable.El diseño de turbo-maquinaria ha permito alcanzar nuevos niveles de producción, como en los campos de agricultura y piscicultura.Las bombas de flujo axial es aquella turbo-maquinaria que se le suministra un

torque a una velocidad angular indicada para que aumente la presión de un fluido por medio de su propeller. Una de las características principales de este tipo de bomba es que el fluido presenta el mismo sentido del eje de giro del propeller. Otra característica es que su propeller consta de 3 o 4 alabes.El principio de funcionamiento indica que el fluido al atravesar el propeller es afectado por la rotación del mismo. El fluido no aumenta su velocidad, sino que

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aumenta su presión debido al cambio de dirección del momento.

Para resolver este problema se utiliza el software Fluent de Ansys. Este software permite realizar el modelo de fenómenos físicos al discretizar un dominio como la de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los fluidos.En si Fluente utiliza la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD por sus siglas en ingles) para resolver problemas. Este enfoque es el análisis de un sistema que relaciona movimiento de un fluido, trasferencia de calor asociado que pudieran ser relacionados con fenómenos químicos. Versteeg H (2000)

Un problema en estado estable es aunque en el cual las ecuaciones que describen el comportamiento del fluido son independientes del tiempo. Las ecuaciones que se deben resolver para describir el comportamiento de los fluidos usualmente son ecuaciones diferenciales, por lo tanto si el problema es independiente del tiempo, serán necesarias condiciones de frontera.Se utiliza el modelo de Single Rotating Frame, el cual permite modelar secciones dentro de un volumen de control en rotación entre volúmenes de control que no presenta rotación pero comparte una misma frontera de entrada y salida.

Equipos e Instrumentación y Procedimiento

El banco de prueba para esta proyecto está constituido por un computador marca Toshiba Satellite, procesador Intel core i7-3630qm

2.4GHz con un sistema operativo de 64 bits y 8GB de memoria RAM.La versión de Ansys que se utiliza es la versión 15 académica.

Fluent permite realizar una simulación en 5 pasos y, para este proyecto se realizó cada uno de los pasos y a continuación se explica su ejecución.En primer lugar se procedió a dibujar el perfil Naca 0012 Fig.1. Para esto se utilizó el Design Modeler programa de Ansys. Las dimensiones del perfil esta centrado en un dominio circular de diámetro d = 20 c, donde c = 1 del arco. Se centra el ala a una distancia de c=4 a la derecho de la cola. Se rota el ala 5 grados para dar un ángulo de ataque positivo.

Modelo NACA 0012Angulo de ataque 5 grados Simétrico Si

Una vez obtenido el perfil deseado se procedio a realizar el mallado, aquí se eligio auna malla no estructurada

Cuerpo Fluido/SolidoPropeller SolidoFluid inlet FluidoFluid propeller FluidoFluid outlet Fluido

A continuación se procede al mallado del conjunto, para esto se utiliza Meshing. Antes de realizar el mallado se procede a nombra las fronteras del problema. Las fronteras se muestran en T.3

Named Selection ObservaciónInlet Pressure InletOutlet Pressure outletWall Wall

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Estas fronteras, debido a que es una turbo maquinaria presentan características que se explican en la misma Tabla.El mallado utilizado es el preestablecido por el programa.El número de nodos y sus características se muestran en T.4

Estadística ObservaciónNodos 100492Elementos 507541Min Size 8.34e-4m

Como tercer paso se procede a configurar el proceso. En esta parte se describe, por medio de la interfaz que brinda el programa, las características del problema como domino, condiciones de frontera, etc.La selección de los diferentes parámetros se muestra en la tabla:

GeneralSolver DefaultUnits Angular Velocity

RPMModelsk-epsilon DefaultNear-Wall treatment

Enhanced

MaterialsFluid Liquid waterCell zone conditionsFluid inlet FluidFluid outlet FluidFluid propeller Fluid

Frame motion495 RPMRotation Axis x=1

Propeller SolidFrame motion495 RPMRotation Axis x=1

Boundary cond.Inlet Pressure inlet

Default

Outlet Pressure outletGauge p=44kPa

Mesh InterfaceContact region CR src-CR trgContact region 1 CR 2 src-CR 2 trg Contact region 2 CR 3 src-CR 3 trg

El modelo K-épsilon se utiliza en modelos d dos dimensiones donde existe una capa de esfuerzo cortante sobre la superficie.Near-Wall treatment se refiere a las ecuaciones de esfuerzo que se modela utilizando el modelo de ReynoldsLa etapa de solución de refiere al método numérico que se utilizara para resolver las ecuaciones que describen el fenómeno físico, en este caso flujo a través de una bomba. Los parámetros seleccionados se muestran en T5

Pressure-Velocity Coupling

Coupled

Spatial Discretization

Default

MonitorsResidual Convergence

Criteria 0.01 for allSolution Initialization

Hybrid initialization

Run Calculation --En la sección que relaciona la ecuación de la velocidad con la de presión, se utiliza la opción Coupled debido a que lo que importa para una bomba axial es la presión, por lo que implica que el factor de relajación es menor para la presión en comparación al factor de relajación de la velocidad.

Resultados:

En la Imagen 1 anexos, se muestra una captura de pantalla de uno de las simulaciones realizadas. En esta captura de pantalla se muestra como el residuo de la ecuación de continuidad disminuye.En la tabla T.6 de anexos se muestra laos puntos para formar la curva del modelo realizado.

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Los puntos presentan aún pendiente negativa. Además dicha curva presenta una relación lineal.La curva del sistema simulado y la dada por el proveedor se asemejan pero no son iguales. La curva obtenida se encuentra desfasada hacia arriba y hacia la izquierda.La tabla T.6 permite observar que el modelo presenta la misma tendencia que una bomba real. La relación entre cabezal y potencia presenta una relación inversa de tipo lineal.

Análisis de Resultados, Conclusiones y Recomendaciones

La selección de parámetros ha permitido modelar del problema planteado. Para resolver las ecuaciones que vincula la velocidad junto con la presión se utilizó el parámetro Coupled. Este parámetro permite obtener valores de presión más exactos debido a que introduce una malla intermedia, además de un factor de relajación para la ecuación de presión.Debido a que se trabaja con rotaring Frame se procede a caracterizar fronteras que permiten la interacción entre la parte de fluido que no experimenta rotación debido al propeller y la parte del fluido que si experimenta esta rotación.

Los resultados obtenidos no condicen con los de la bomba de diámetro igual. Esto se debe a que no existe una verdadera relación geométrica entre el modelo utilizado y el objeto verdadero, esto se pude notar por el ángulo de ataque, que para este estudio se desconoce, y juega un papel importante en el cabezal que se puede obtener de una bomba; además el casing se modela como un cilindro perfecto, lo cual en la realidad no es cierto, os cambios de sección producen perdidas.No se ha calculado cual es la distancia desde el propeller hacia la salida y entrada para

afirmar que el fluido deja de ser afectado por la rotación del propeller.Sin embargo los datos obtenidos se encuentran magnificados por un factor de 2 aproximadamente. Esto último implica que aunque el modelo geométrico falle para comparar, los asunciones y el proceso de simulación realizadas son congruentes con los datos que se pudiera esperar de una bomba axial.Lo último implica que el procedimiento realizado en este proyecto puede ser utilizado para modelar bombas axiales de manera aceptable.La incongruencia entre los datos se debe en especial a la geometría del propeller. Sin embargo con el propeller diseñado presenta una curva característica que se esperaría de una bomba axial.Debido a la capacidad del equipo, el tiempo que llevo realizar las simulaciones fue extenso.El tiempo para resolver un problema aumenta al aumentar el número de nodos en el modelo.Aumentar el número de nodos no implica obtener datos veracesUn modelo diverge cuando las ecuaciones que describen el fenómeno físico no presentan relación algunaLa selección de la resolución de la ecuación de velocidad y presión, permite obtener resultados más veraces en relación a velocidad o presión, dependiendo de la opción que se seleccione.Para mejorar la práctica se recomienda:Realizar asunciones valederas para el modeloIdentificar adecuadamente los dominiosIdentificar adecuadamente las fronteras del sistemaEntender los fenómenos físicos que abarca el sistema a modelar

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS/ FUENTES DE INFORMACIÓN

Versteeg H, Malalasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Prentice Hall. 2000

White, F. (2008). Fluid Mechanics. 7th edn. New York, McGraw Hill.

Cengel, Y. and Cimbala, J. (2006). , Y. and Cimbala, J. (2006). Fluid Mechanics: Fundamentals And Applications. New York, McGraw Hill

Ansys. (2015). Ansys Fluent, Tutorial Guide V16.Ansys Inc., 2016.

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ANEXOS

ResultadosP(kPa) T (N.m) RPM Q (m3/s) Pot (kW)

78.40 114.70 595.00 12.68 7146.7683.30 119.60 595.00 12.55 7452.0788.20 114.70 595.00 12.34 7146.7690.16 109.60 595.00 12.47 6828.9893.10 109.10 595.00 12.23 6797.8398.00 104.20 595.00 12.12 6492.52

T6 Resultados

12000 12100 12200 12300 12400 12500 12600 12700 128000.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

Curva Fluent Modelo

Caudal (l/s)

Cabe

zal (

m)

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Fig. 1, Creación del perfil NACA 0012

Fig. 2, Mallado del volumen.

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Fig. 3, BIAS factor en la superficie del sólido.

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