Reporte 4
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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
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: