El documento describe las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos, incluyendo el teorema de transporte de Reynolds, las ecuaciones de continuidad, conservación de cantidad de movimiento y energía. Explica conceptos como volumen de control, propiedades intensivas y extensivas. Además, presenta la ecuación de Bernoulli para fluidos ideales y su variante para fluidos reales con pérdidas.
Éteres. Química Orgánica. Propiedades y reacciones
Documento2
1. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2.1 Teorema de Transporte de Reynolds
2.2 Ecuación de Continuidad
2.3 Ecuación de Conservación de Cantidad de Movimiento
2.4 Ecuación de Conservación de la Energía
2.5 Ecuación Fundamental de la Hidrodinámica. Ecuación de Bernoulli
2.6 Mecánica de Fluidos Computacional
2.7 Guía Básica de FLUENT
2
2. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
6.2INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2.1 Teorema de Transporte de Reynolds
Volumen Fluido: Porción de fluido que se mueve y a la que se sigue en su movimiento. Es un
mismo volumen al que se sigue continuamente y que está formado siempre por la misma cantidad
de partículas.
Volumen de Control: Es una región del espacio imaginaria, que se puede mover o no, y que se
define en cada instante y a través de la cual el fluido puede entrar o salir (Es decir, no está
formado siempre por las mismas partículas)
El teorema de transporte de Reynolds se utiliza para encontrar la solución de la variación de las
propiedades de un fluido restringido a un volumen de análisis, denominado volumen de control.
B Propiedad del fluido (energía, cantidad de movimiento etc.)
Valor intensivo de la propiedad β =
dB
dm
4. 6.4INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
1
La cantidad de la propiedad B que hay en un volumen de control en un instante es:
BVC
= ∫∫∫VC
β⋅ ρ ⋅ dV
Analizando cómo varía esa propiedad con el tiempo se obtiene:
d
BVC
dt
= [BVC
dt
(t + dt ) − BVC(t)]
BVC (t + dt) = BS 2 (t + dt) + βe ⋅ ρe ⋅Ve ⋅ Ae ⋅ dt − β s ⋅ ρ
s
⋅Vs ⋅ As ⋅ dt
BVC (t ) = BS 2
(t)
Por lo tanto:
d
dt
BVC =
BS 2
(t + dt) − BS 2
(t )
+ β
dt
e
⋅ ρe ⋅Ve
⋅ Ae
− βs
⋅ ρs ⋅Vs
⋅ As
5. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Si el flujo es estacionario
d
BVC = 0
dt
Expresando esta ecuación en forma general:
βe ⋅ ρe
β s
⋅ ρ s
⋅Ve
⋅Vs
⋅ cosθ
⋅ cosθ
⋅ Ae
⋅ As
6. (V
d
BSISTEMA
dt
=
dBVC
dt
+ ∫∫AS
β s
⋅ ρs ⋅Vs
⋅ cosθ ⋅
dAs
− ∫∫AS
βe
⋅ ρe ⋅Ve
⋅ ⋅cosθ ⋅ dAe
Como ya sabemos: BVC
= ∫∫∫VC
β⋅ ρ ⋅ dV
Por tanto:
d
dt
BSISTEMA
d=
dt ∫∫∫VC
β⋅ ρ ⋅
dV
+ ∫∫SC
β r
⋅ ρ ⋅ (V ⋅ n
r
) ⋅ dS
r
⋅ n
r
) Término utilizado para agrupar los términos de entrada y salida
7. 2.2 Ecuación de Continuidad
La masa en un sistema no se crea ni de destruye, sólo se conserva:
dm
= 0 ⇒
dt ∫∫∫V
F
ρ ⋅ dV
En este caso B=m (masa del sistema) y por tanto, la propiedad intensiva es; β =
dm
= 1
dm
Aplicando el teorema de transporte de Reynolds:
d
dt ∫∫∫VF
ρ ⋅
dV
d=
dt ∫∫∫VC
ρ⋅
dV
+ ∫∫SC
ρ r
⋅ (V ⋅ n
r
) ⋅ dS = 0
8. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
ρ
Para un fluido estacionario:
V n n d
dt ∫∫∫VF
⋅ dV = 0
Por tanto
r r
∫∫SC
ρ ⋅
(V
⋅ n) ⋅
dS
= ρ ⋅ (− V )⋅ Ae
+ ρ ⋅V ⋅ As
− ρ ⋅V ⋅ Ae + ρ ⋅V ⋅ As = 0 ⇒ Ge = Gs
Teniendo en cuenta que:
G = Q ⋅ ρ
⇒ Qe
= Qs
9. SF
2.3 Ecuación de Conservación de la Cantidad de Movimiento
La segunda ley de Newton F = m ⋅ a
∑ F = m ⋅
dV
dt
=
d (m ⋅ V )
dt
⇒ m ⋅V = Cantidad
de Movimiento
Aplicando la ecuación a todo el volumen fluido:
r r r rd
dt ∫∫∫VF
ρ ⋅V ⋅
dV
= ∫∫∫τ ⋅ n ⋅
dS
+ ∫∫∫VF
ρ ⋅ f
m
⋅ dV
donde:
τ
r
Fuerzas de superficie: son las fuerzas que el fluido ejerce sobre la superficie.
10. f m
Fuerzas de volumen o másicas: fuerzas aplicadas a todo el volumen (gravedad y fuerzas
de inercia)
11. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
6.1
010
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
SC
Para pasarlo a un volumen de control, se aplica el teorema de transporte de Reynolds:
d
dt ∫∫∫VC
r
ρ ⋅V
⋅
dV
+ ∫∫SC
r
ρ ⋅V
r
⋅ (V ⋅ n
r
) ⋅
dS
= ∫∫∫τ
r
⋅ n
r
⋅
dS
+ ∫∫∫VC
r
ρ ⋅
fm
⋅ dV
Esta ecuación se conoce como Ecuación de Conservación de la Cantidad de Movimiento
Esta ecuación es vectorial y por tanto se van a tener 3 ecuaciones escalares aplicadas cada una
sobre un eje del espacio (x, y, z).
12. 2
2.4 Ecuación de Conservación de la Energía
El primer principio de la termodinámica dice que la variación de energía total (interna más
cinética) de un volumen fluido es igual al trabajo por unidad de tiempo, o potencia, que realizan
las fuerzas externas (másicas y de superficie) sobre el volumen fluido, más el calor aportado
desde el exterior a dicho volumen fluido por unidad de tiempo.
Q > 0
W > 0
∆E = ∆Q + ∆W
En este caso la propiedad que varía en el volumen fluido es la energía interna B = e +
v
2
d v
2
r r r r r r r
∫∫∫ e
+
⋅
dV
= ∫∫∫ v ⋅ (τ⋅ n )⋅
dS
+ ∫∫∫ v ⋅ ρ ⋅ fm ⋅
dV
+ ∫∫∫ (Qr + Qq
)⋅ dV−∫∫ q ⋅ n ⋅
dS
14. Donde:
Qr Calor aportado al sistema por radiación
Qq
Calor aportado por efecto de alguna reacción química que pueda suceder en el
interior del fluido
− q ⋅ n Calor comunicado al sistema por conducción térmica. El signo menos se debe
a que q ⋅ n ⋅
dS
representa el flujo de calor hacia el exterior del sistema material.
Si asumimos que las fuerzas de volumen derivan de un potencial
teorema de transporte de Reynolds:
f m = −∇U , aplicando el
d v
2
v2 r r
dt ∫∫∫VC
ρ ⋅ e
+
+
U
⋅
dV
2 + ∫∫sC
15. ρ ⋅ e +
+ U ⋅ (V
2
⋅ n )⋅ dS =
∫∫∫SC
v
r
⋅ (τ
r
⋅ n
r
)
dS
+
∫∫∫VC
(Qr + Qq
)⋅ dV −∫∫SC
q
r
⋅ n
r
⋅ dS
16.
Esta ecuación se puede aplicar a una máquina de fluidos:
Ps, Ts, Vs
Q
W
Pe, Te, Ve SF
d v
2
dt
∫∫∫VC
ρ ⋅ e
+
+ U ⋅ dV =
0
2
Caso estacionario (se considera un tiempo muy largo
para que el efecto de las hélices sea casi nulo)
v
2
r r
∫∫sC
ρ ⋅ e
+
+ U ⋅
(V
2
⋅ n )⋅ dS
17. Se aplica
en las
superficies de
entrada y
salida, en la
superficie
exterior
fija
(carcasa)
y en la
superficie
móvil
(hélice)
18.
V
( )
- Superficie de entrada
ρe
⋅
ee
V
2
+ e
+
2
U e
⋅ (− Ve )⋅ Ae
- Superficie de salida
2
s
s s s
ρ s
⋅ es
+
+ U ⋅ V ⋅ A
2
- Superficie fija 0 (ya que no tiene componentes de velocidad perpendiculares a la
superficie) V*n=0)
- Superficie móvil 0 (ya que la velocidad relativa de la superficie respecto al sistema es
nula)
∫∫∫SC
v
r
⋅ (τ
r
⋅ n
r
)⋅ dS
- Superficie de entrada Pe ⋅Ve ⋅ Ae
- Superficie de salida
- Superficie fija 0
-
S
mó− Ps
20.
s
s
e
e
m
Por lo tanto, se obtiene la Ecuación General de la Energía en Máquinas Hidráulicas:
P
e + s
ρs
V
2
+ s
+ U
2
s
⋅
Gs
−
ee
+
Pe
ρe
V
2
+ e
+ U
2
e
⋅
Ge
= W& + Q
En una bomba hidráulica, esta ecuación adopta la siguiente forma:
2
2
Ps V
+
s
+ U − Pe
V
+
e
+ U = g ⋅ H
ρs
2
ρe 2
Donde Hm es la altura manométrica proporcionada por la bomba, y se expresa como:
H m = H u − H L η =
H m
H
Rendimiento manométrico
u
22. 1 2
ρ
1
+
2
ρ 2 ρ 2
2.5 Ecuación Fundamental de la Hidrodinámica
Partiendo de la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento, o bien de la ecuación de
conservación de la energía, en base a las siguientes hipótesis:
- Para un fluido ideal (sin rozamiento, con viscosidad nula)
- Ausencia de transformación de energía hidráulica en energía térmica.
- No existe intercambio de energía con ninguna bomba o turbina
Entonce, se deduce que, en el tránsito de una partícula desde un punto 1 a un punto 2 de una
línea de corriente, según el principio de conservación de la energía, la suma total de las
energías debe permanecer constante
P Vu
2
P V
2
+ +z
⋅ g =
P2
V
2
+ + z
⋅ g
+
U
=
cte
1 2
Esta ecuación se conoce como Ecuación de Bernoulli para un Fluido Ideal.
23. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
V V
V V
1 1
2
1 1
Para el caso de un fluido real (viscosidad no nula), existe rozamiento tanto del fluido con las
superficies del contorno, como de las propias partículas del fluido entre sí. Por tanto, existe
intercambio de energía y por tanto no se cumple la ecuación de Bernoulli.
Sin embargo, si el fluido es incompresible, se puede aplicar la Ecuación de Bernoulli con
pérdidas:
P
2
+
ρ 2
+ z1
⋅ g
−
yr1−2 =
P2
+ 2
ρ
2
+ z2
⋅ g
P2
+
⋅ ⋅
+ z1
−
H
P2
r1−2 =
⋅
2
+ 2
+
⋅
z2
ρ g 2 g
ρ g 2 g
24. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Si la línea de corriente analizada atraviesa una o varias máquinas hidráulicas que le suministran
(bombas) o donde cede (turbinas) energía, se puede aplicar la Ecuación de Bernoulli
Generalizada:
25. V V1 1
P2
⋅
P2
+
⋅ ⋅
+ z1
− ∑
H
r1−2 + ∑ H
b
− ∑ H t =
2
+ 2
+
⋅
z2
ρ g 2 g
ρ g 2 g
∑ H
r1−2
Pérdidas hidráulicas entre los puntos 1 y 2
∑ H
b
Incrementos de altura (energía) suministrados por todas las bombas existentes entre
los puntos 1 y 2
26. ∑ H
t
Incremento de altura absorbida por las turbinas instaladas entre los puntos 1 y 2
27. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
EJEMPLO 1: Calcular el caudal que descarga la tubería de la figura y las presiones en los puntos
1, 2, 3 y 4. Despreciar los rozamientos.
28. 6.2
020
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
EJEMPLO 2: Por una turbina hidráulica circula un caudal de 3 m3/s. A la entrada de la tubería
forzada de 1m de diámetro un manómetro marca una presión de 3.5 bar. A la salida de la turbina,
en la tubería de 1.5m de diámetro un captador marca una presión de 20000 Pa por debajo de la
presión atmosférica. La salida de la turbina se encuentra 5m más baja que la entrada. La pérdida
de altura entre la entrada y la salida asciende a 10m.
Nota: Potencia Suministrada P = Q ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Hu
∑ H b
= 0
∑ H
r1−2
∑ H t
=
Pérdidas hidráulicas entre los puntos 1 y 2
Hu
29. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2.6 Mecánica de Fluidos Computacional
La Mecánica de Fluidos Computacional (MFC) es la herramienta encargada de hallar una
solución numérica de las ecuaciones que gobiernan el flujo en un dominio espacial y temporal.
La aplicación de este tipo de herramientas se extiende a múltiples áreas:
• AERODINAMICA: Flujos de aire en torno a edificios, aeronaves, vehículos terrestres.
• MEDIO AMBIENTE: Dispersión atmosférica de contaminantes.
• CLIMATIZACION: Calefacción y renovación del aire en el interior de locales públicos.
• EQUIPOS GENERADORES DE POTENCIA: motores de combustión interna,
turbomáquinas.
• INSTALACIONES HIDRAULICAS: Flujos a través de bombas, turbinas, difusores, válvulas,
tuberías, etc.
• ANALISIS TERMICOS: Flujos en intercambiadores de calor, radiadores de vehículos.
• BIOMEDICINA: flujo sanguíneo en venas, corazones artificiales.
30. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Códigos Comerciales de CFD
El mercado actual está dominado por varios códigos basados en métodos de volúmenes finitos:
ANSYS CFD (FLUENT, CFX), PHOENICS, FIRE, FLOW3D, STAR-CD/Starccm+ y
POWERFLOW.
Etapas del Proceso de Simulación
■ PREPROCESO: definir el problema
Dominio computacional y discretización (50%).
Propiedades del fluido.
Establecimiento condiciones de contorno y/o condiciones iniciales.
Parámetros numéricos.
■ RESOLUCIÓN: Generación de la solución al sistema de ecuaciones que gobiernan el proceso.
Esquema numérico: Navier Stokes
Lattice Bolztmann
■ POSTPROCESO: Visualización y análisis de los resultados con objeto de validar el
comportamiento del flujo y/u obtener conclusiones respecto a su fiabilidad o identificación de
posibles errores cometidos.
31. 6.2
323
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2.6.1 PREPROCESO
A. DOMINIO COMPUTACIONAL Y DISCRETIZACIÓN
Estructuradas No Estructuradas
Tipos de mallado:
32. 6.2
424
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
B. PROPIEDADES DEL FLUIDO
33. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
6.2
525
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
C. CONDICIONES DE CONTORNO
CONTORNO CONDICIÓN
ENTRADA Flujo másico o vector velocidad o bien, presión (estática o
total). Condiciones de entrada de ventilador
Temperatura.
Pasivo escalar.
Intensidad y escala turbulenta.
SALIDA Presión (total o estática) o bien, condición de salida total o
parcial.PARED FIJA. Flujo de calor o
temperatura. Rugosidad.
PARED MÓVIL. Velocidad linear o angular.
Temperatura o flujo de
calor. Rugosidad.
SIMETRÍA
PERIODICIDAD
34. ( )
( )
( )
6.2
626
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2.6.2 RESOLUCIÓN
Ecuaciones de Navier- Stokes.
➨ CONSERVACION DE LA MASA.
∂ ρ
+
∂ t
∂
(ρ u ) +
∂ x
∂
(ρ v ) +
∂ y
∂
(ρ w ) = 0
∂ z
➨ SEGUNDA LEY DE NEWTON.
∂ (ρ u ) +
∂ t
∂
ρ u 2
+
∂ x
∂
(ρ v u ) +
∂ y
∂
(ρ w u ) =
∂ z
fv x
+ fs x
∂ (ρ v ) +
∂ t
∂
(ρ u v ) +
∂ x
∂
ρ v 2
+
∂ y
∂
(ρ w v ) =
∂ z
fv y
+ fs y
∂ (ρ w ) +
∂ t
∂
(ρ u w ) +
∂ x
∂
(ρ v w ) +
∂ y
∂
ρ w
2
=
∂ z
fv z
+ fs z
➨ CONSERVACION DE LA ENERGIA.
∂ρ(e + V
2
) ∂
[ ( ) ] ∂
[ ( ) ] ∂
[ ( ) ]
2 2 2 2
+
∂t ∂x
ρ e + V 2 u +
∂y
ρ e + V 2 v +
∂z
ρ e + V 2 w = Wv + Ws + qcond + Qreac +rad
35. Significado de una Ecuación Genérica de MF
Toda ecuación de Conservación puede ser expresada de la forma:
∂
( ρφ
∂t
) + div.( ρ uφ ) = div.( Γ φ grad φ ) + S{
142
43
142
43
1 442 4 3
Transitori o
Convectivo
4
Difusivo
Fuente
Donde: φ es una propiedad específica.
ρ es la densidad.
u es el vector velocidad.
Γ es el coeficiente de difusión de .φ
• El término transitorio expresa la variacióntemporal de la variable φ por unidad de
ρuφ
ρuφ + ∂(ρuφ)
∆ x
∂x
volumen.
• El transporte convectivo expresa el balanceneto de flujo de la variable φen un volumen
de control como consecuencia del campo de
velocidades.
• El transporte difusivo representa el balancede flujos de φdebidos al gradiente de .φ
36. • El término fuente representa la generación neta de φ por unidad de volumen.
37. N
O P E
S
∂
Fundamentos de la Resolución Numérica de las Ecuaciones de Navier Stokes I
Objetivo: Realizar las siguientes transformaciones:
Dominio geométrico continuo
Operadores derivadas parciales
Ecuación de Conservación
Solución deφ continua
Dominio discreto (VC)
Operaciones aritméticas
Sistema ecuaciones algebraicas
Solución de φ es discreta
∂t
(ρφ) + div.(ρuφ) = div.(Γφ gradφ) + S aPφP = aOφO +aEφE +aNφN
+aSφS +b
39. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Parámetros de la Resolución Numérica
Density-Based Algorithm
40. 6.3
030
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Las ecuaciones se pueden linealizar de forma implícita o explícita:
• Implícito: Para una determinada variable el valor desconocido en cada celda se calcula
mediante una relación que considera los valores desconocidos y actuales de las celdas
vecinas. Cada valor desconocido aparece en más de una ecuación del sistema y por tanto hay
que resolver el sistema de forma simultanea para obtener los valores desconocidos.
n+1
=
n n
+
n n
+
n n
+
n n
+
n
+
n+1 n+1
+
n+1 n+1
+
n+1 n+1
+
n+1 n+1
+
n+1 n+1
+
n+1
aPφ a φ a φ a φ a φ b a φ a φ a φ a φ a φ bP O O E E N N S S P P O O E E N N S S
• Explícito: Para una determinada variable el valor desconocido en cada celda se calcula
mediante una relación que considera solamente los valores actuales conocidos de las celdas
vecinas. Cada valor desconocido aparece solamente en una ecuación del sistema y por tanto
se pueden resolver las ecuaciones de cada celda de una en una para obtener los valores
desconocidos.
n+1 n n n n n n n n n
aPφ =a φ +a φ +a φ +a φ +bP O O E E N N S S
41. La Turbulencia
La mayoría de los investigadores parecen estar de acuerdo con que los siguientes elementos
caracterizan los flujos turbulentos:
Altamente no estacionarios. Un flujo turbulento puede ser estacionario en sentido estadístico
pero realmente estos flujos son siempre altamente no estacionarios. Se caracterizan por
fluctuaciones que tiene lugar en un amplio rango de escalas temporales.
Son tridimensionales. Un flujo puede ser bidimensional en media pero el campo instantáneo es
tridimensional
Alta vorticidad. La mayoría de los flujos contienen vorticidad pero los flujos turbulentos tienen
regiones con estructuras coherentes de alta vorticidad y regiones de vorticidad baja. Los flujos
turbulentos se caracterizan por la naturaleza fluctuante de esta vorticidad. Las estructuras
coherentes dependen del tipo de flujo. También, el estrechamiento de torbellinos es un proceso
fundamental en la turbulencia.
Son flujos impredecibles. Los flujos turbulentos se caracterizan por su inestabilidad inherente en
el sentido de que dos flujos cuyos estados actuales difieran de forma casi imperceptible pueden
evolucionar de forma que la diferencia crezca exponencialmente. Como resultado puede ser
imposible reconocer que esos dos flujos se originaron por estados prácticamente idénticos. Sin
embargo, las propiedades estadísticas de ambos flujos pueden permanecer prácticamente
idénticas.
42. Son flujos de amplio espectro. Los flujos turbulentos fluctúan sobre un rango de escalas
temporales y espaciales muy amplio que aumentan con el número de Reynolds.
Difusividad: La turbulencia aumenta la tasa a la que se mueven las magnitudes conservadas. Es
decir, se ponen en contacto porciones de fluido con diferentes concentraciones de las magnitudes
conservadas. El verdadero mezclado se efectúa por difusión por lo que a menudo a esta conducta
se la denomina difusiva.
Disipativa: Al aumentar el mezclado de la cantidad de movimiento la turbulencia pone en
contacto porciones de fluido con diferentes contenidos de cantidad de movimiento. La reducción
de los gradientes de velocidad producidos por la acción de la viscosidad reduce la energía cinética
del flujo, en otras palabras, es disipativa. La pérdida de energía es irreversiblemente convertida en
energía interna del fluido.
Los efectos producidos por la turbulencia pueden ser o no deseables. Un mezclado intenso puede
resultar útil cuando se necesita favorecer una reacción química o la transferencia de calor. Por
otro lado, un aumento del mezclado de la cantidad de movimiento puede aumentar las fuerzas de
fricción por lo que aumenta la potencia requerida por la bomba para bombear un fluido o aumentar
la resistencia aerodinámica de un vehículo. Los ingenieros necesitan poder entender y predecir
estos efectos para así poder desarrollar un buen diseño. En algunos casos incluso se puede llegar
a controlar, al menos en parte, la turbulencia.
43. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Herramientas para el estudio de flujos turbulentos:
• Análisis experimental
– Parámetros globales del flujo
– Las medidas detalladas son caras
– Algunas son imposibles de realizar
• Alternativa: Los métodos numéricos
– Correlaciones
– Métodos integrales
– RANS: El tipo de aproximación que con más frecuencia se usa para predecir flujos
turbulentos esta basado en el concepto de promediado de las ecuaciones de Navier-
Stokes introducido por Reynolds (1895). Este promediado está basado en el hecho de
que cada variable φ de un flujo turbulento se puede descomponer en suma de un valor
promediado y una fluctuación alrededor de ese promediado.
– LES (Large Eddy Simulation)
– DNS (Direct Numerical Simulation)
44. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Modelado de capa límite
La resolución con suficiente precisión de la capa límite es importante para obtener la fuerzas
de fricción, perdida de carga, desprendimiento de capa límite, transmisión de calor, etc
Los modelos de turbulencia aplicados en el resto del fluido no proporcionan buenos
resultados. Importancia de la viscosidad.
45. 6.3
535
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Funciones de pared
• Mallado grueso de la capa límite.
• Zona logarítmica
Modelos de pared
• Aconsejable en con fenómenos complejos en la
capa límite.
• Modelos de turbulencia específica en la capa
interior.
• Malla fina en la zona de la capa interior
46. 6.3
636
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
2.7 Guía básica de FLUENT
a) Cargar modelo de simulación o mallado para iniciar preparación de modelo
File / Read / Case
47. 6.3
737
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
b) Definición de parámetros de resolución
Define / Models / Solver
- Elección del algoritmo de resolución (density o pressure based)
- Eleccción del método de resolución (Implicito o explicito)
- Elección del tipo de análisis temporal (Flujo estacionario o transitorio)
Define / Models / Energy
- Elección de modelo con resolución de la ecuación de la energía
Define / Models / Turbulence
- Elección de tipo de flujo: Ideal (no viscoso), laminar o turbulento
- Elección del modelo de turbulencia a utilizar
- Elección del tipo de modelo de pared
48. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS 6.38
49. 6.3
939
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
c) Definición de propiedades de fluido
Define / Materials…
50. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
d) Definición de condiciones de contorno
6.4
040
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
Define / Boundary Conditions…
51. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
e) Parámetros de resolución e Inicio de simulación
6.4
141
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
Solve / Controls / Solution…
- Definición de factores de
subrelajación
- Definición de métodos de
discretización
Solve / Initialize…
- Inicializar el modelo con unos valores de velocidad, presión, temperatura etc.
Solve / Iterate…
- Comenzar la simulación del modelo
52. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
f) Postproceso Gráfico
6.4
242
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
Display / …
53. 2. ECUACIONES GENERALES DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
g) Postproceso Numérico
6.4
343
INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS
Report / …