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

afonzo@espol.edu.ec

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, 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

especificar todos los datos detalladamente

para evitar suposiciones 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 WORKBENCH-

ANSYS 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

demasiado, ya que no interesa que el

programa se sature. Una 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. 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 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: