Simulación de fluidos por computadora y Análisis de comportamiento de un separador ciclónico

Introducción a la simulación de fluidos.
Una cosa que los ingenieros (o medio ingenieros como yo) no comprendemos del todo, aunque nos guste decir que entendemos todo lo que nos rodea, es como se comporta el aire y otros fluidos.

Existen modelos basados en hipótesis y observaciones empíricas. Los modelos comúnmente utilizados para dimensionamiento de sistemas respetan las tres hipótesis de conservación de la masa, cantidad de movimiento y continuidad (dentro del medio estudiado se ignoran cualquier tipo de discontinuidades y estructura molecular.)

Estos modelos son útiles para obtener estimaciones aproximadas de las propiedades sistema. Por ejemplo: en un sistema hidráulico se pueden calcular caudales, caídas de presión, etc., pero no es útil a la hora de analizar en detalle el comportamiento del fluido, sobretodo en el ámbito del flujo turbulento. Como explicación simple, turbulencia es un flujo con cambios rápidos de velocidad y rotación, al contrario de uno laminar en el que todas las partículas se mueven ordenadamente en una dirección y velocidad similar. En la imagen muestro un ejemplo de flujo turbulento (www.airteamimages.com).

Para estos casos se ha desarrollado el marco teórico a través de las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas últimas tienen el inconveniente de que sólo son aplicables a casos simples. Para análisis mínimamente complejos la cantidad de ecuaciones a resolver es impracticable.

Anteriormente en situaciones de flujos complejos como la circulación del aire alrededor de un automóvil, un avión o el agua propulsada por una hélice naval, sólo se podían analizar por medio de la observación directa (en túneles de viento por ejemplo.) Este método es lento y sumamente costoso. Como una solución a esta limitación, entonces, es aquí donde aparece lo que se conoce dinámica de fluidos computacional (comúnmente CFD.)

La simulación de fluidos por computadora utiliza la técnica que se conoce como método por elementos finitos, que en términos corrientes consiste en dividir el elemento que se va a estudiar en una cantidad elevada de pequeños sectores para ir calculando las ecuaciones que definen el flujo en cada uno de ellos. A medida que se divide en mayor cantidad de elementos más pequeños, más precisa es la simulación, por lo que se requiere una elevada potencia de cálculo hasta para situaciones sencillas. Para llevar a cabo simulaciones complejas, aún con las mejores máquinas de hoy, los sistemas de simulación incluyen generalizaciones y simplificaciones varias para acelerar el procesamiento.

Como final para esta introducción, incluyo un ejemplo propio. Esta simulación representa el funcionamiento de un separador ciclónico.

El separador ciclónico funciona ingresando aire a través de la entrada tangencial. De esta manera, el flujo de aire es obligado a seguir una trayectoria descendente y en espiral dentro del cuerpo del equipo. Las partículas más pesadas debido a su inercia caen en el interior del cuerpo de donde son removidas mientras que el aire sale al exterior por la abertura superior.

Para este análisis comencé realizando en modelo CAD tridimensional de un ciclón estándar. A partir de éste generé la malla de cálculo correspondiente (la subdivisión del medio en elementos pequeños.)

A continuación seleccioné regiones en el modelo y adopté las condiciones de borde que determinan, por ejemplo, en la boca de entrada la velocidad de ingreso de aire y el contenido de sólidos en suspensión.

Como paso final, con el sistema de simulación realicé el cálculo definitivo obteniendo resultados intermedios a medida que avanzaba el proceso de simulación. Estos resultados se visualizan por medio de gráficos, que muestran distintas características del modelo analizado (velocidades, presiones, concentraciones, trayectorias, etc.)

Como resultado generé la gráfica que les muestro a continuación. En ella se puede ver cómo varía la concentración de sólido para distintos instantes de funcionamiento, inicialmente de un 5% en el interior y con un flujo de entrada del 10%.

Podemos ver cómo la mayor concentración de sólidos (representada con los tonos rojos y amarillos), a medida que pasa el tiempo (T de 0,1 - 15 segundos), se va acumulando en la parte inferior del cuerpo del ciclón. Otra de las características de funcionamiento antes explicadas que se pueden observar, es cómo el aire emergente tiene una baja concentración de sólidos en supensión por la salida superior.

Concentración de sólidos (partes por unidad de aire)
T = 0.1s	T = 0.9s
T = 2.0s	T = 5.0s
T = 10s	T = 15s

Un muy buen sitio con abundante información acerca de este tema es www.cfd-online.com.