cilindro 1 fluent
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DEPARTAMENTO DE MECANICA
MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
REALIZADOR POR: REVISOR POR:
CORTESIA DAVID C.I.19638545 JOSE RENGEL
UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NUCLEO DE ANZOATEGUI
ESCUELA DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE MECANICA
MECÁNICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
PRÁCTICA N° 2
REALIZADOR POR: REVISOR POR:
CORTESIA DAVID C.I.19638545 JOSE RENGEL
BARCELONA, MAYO 2012
REALIZADOR POR: REVISOR POR:
CORTESIA DAVID C.I.19638545 JOSE RENGEL
DESARROLLO
En este estudio le presentaremos una simulación con Fluent 12.1 del flujo de
fluidos alrededor de un cilindro horizontal. Esto se hace con la finalidad de
evaluar la influencia de los dominios en el estudio de las descretizaciones de
fenómenos físicos de manera que no influyan en el valor arrojado por el
software simulador. Cabe destacar que el cilindro presenta un diámetro de 1m
y la velocidad de entrada del flujo es de 1 m/s, también se evaluará la
importancia de la cantidad de elementos presentes en el espacio que
determinará la validación del estudio, esto se hará primeramente con mallado
bruto y de manera sistemática se irá refinando hasta que los valores obtenidos
estén dentro de un rango aceptable en el estudio. El sistema se estudiará en
estado transitorio y se determinaran ciertos factores como el de sustentación y
el de arrastre que son vital importancia en la determinación de las fuerzas que
se presentan en la superficie del cilindro.
PRE-PROCESAMIENTO.
Primeramente se procede a la creación de la geometría; se crea un círculo de
1m de diámetro en un sketch , se genera una superficie en surfaces from
faces , esta superficie irá destinada a representar el cilindro en estudio fig.1 ,
luego se crea otro sketch , esta vez será un rectángulo con un dominio de
50mts a lo largo y 20mts de ancho, este representara el espacio por donde
circulara el fluido, una vez hecho esto se le resta la superficie inicial cuando se
dibujo el circulo y se obtiene la geometría en estudio fig.2.
Fig.1 Creación la geometría inicial.
Fig.2 Geometría final para el estudio.
Una vez obtenida la geometría final se procede al mallado, en esta oportunidad
se genera la malla dejando que el programa haga su trabajo, el resultado
obtenido no es el correcto, ya que se puede ver la disparidad de la malla lo que
produciría un error notable en los cálculos.
Fig. 3 Mallado de la geometría final arrojado por e l programa.
Debido a esto se procede a la opción del FLUENT de hacer un mapeo de cara
(mapped face meshing ), esta opción permite organizar el mallado en una
superficie, y claramente se puede ver su resultado fig.3.
Fig. 4 Mallado de la geometría final usando la opci ón mapped face
meshing.
Este mallado no tiene sentido en analizarlo debido a que sus elementos son tan
grandes que es de seguro que generaran errores en los resultados, por ello se
decide a regresar a modificar la geometría, de manera que se puede acceder a
las opciones de sizing, cuya finalidad permite establecer numero de divisiones
en los ejes, divisiones que irán destinadas a ser los puntos de partida y de
llegada de las líneas del mallado. La modificación de la geometría trae consigo
el siguiente arreglo, que permite establecer sizing de forma ortogonal al
cilindro tal y como se muestra en la fig. 4.
Fig. 5 Geometría destinada al refinamiento de la ma lla.
Nuevamente se pasa a la segunda etapa del pre-procesamiento que es la
mesh, aquí se genera la malla luego de haber hecho las distintas
modificaciones y creado los sizing necesarios y se obtiene el primer mallado
que se muestra en la figura 5.
Fig.6 Creación de los sizing para el refinamiento d el mallado.
Fig. 7 Mallado refinado y listo para el estudio.
En esta malla podemos apreciar la característica que presenta de ser más
densa a medida que se acerca al cilindro y eso es por dos razones, la primera
es porque allí se requiere que el estudio sea más detallado y a medida que la
discretización es mayor mejores son los resultados obtenidos y la segunda es
porque debemos optimizar las condiciones del programa donde no pierda
tiempo iterando en regiones de poco interés. A parte de esta malla que cuenta
con un total de 75600 elementos se contará con dos mallas más refinadas para
una geometría de 80mts la largo y 40mts de ancho, de 96000 fig.7 para 100mts
y 50mts y 145000 fig.8 elementos para 120mts y 60mts. Una vez hecho esto se
procede a nombrar la entrada, la salida y el cilindro de manera que estén
preparados para las condiciones de borde que en el procesamiento se le darán.
Fig.8 Mallado refinado de 96000 elementos.
Fig.9 Mallado refinado de 145000 elementos.
PROCESAMIENTO:
Este problema será resuelto en régimen laminar y estacionario, se procede a
modificar la viscosidad del fluido, en este caso aire y para las condiciones de
un Re= 545 y una V=1m/s y un D=1m, el resultado de la viscosidad cinemática
es ν=0,001835. Una vez hecho esto se procede a dar las condiciones de borde:
para la entrada se le cambia la opción en type a velocity-inlet , y se procede a
editarla y colocar la velocidad entrada de 1m/s, por otra parte la salida siempre
llevara consigo el dato de la presión de salida, que se conoce como pressure-
oulet, cuyo valor será 0, por último se cambia la línea del circulo a la opción de
Wall , pera que el programa interprete el agujero como una frontera del flujo de
fluido. Hecho esto se procede a guardar para disponer de la etapa de la
solución.
Una vez hecho esto se procede a la segunda etapa del procesamiento como es
SOLUTION. Aquí se determina como el programa va a resolver el problema, se
especifica el orden y los criterios de convergencia del modelo utilizado, en este
caso se resolverán la ecuación de momentun para el segundo orden. Luego se
procede a Monitors, donde se establecen los criterios de convergencia para
una millonésima, luego se selecciona el coeficiente de arrastre y de
sustentación, que aquí llevan por nombre el drag y el lift. El coeficiente de
arrastre es un coeficiente determinante para calcular la fuerza de arrastre que
los fluidos producen cuando un material extraño a su naturaleza se interpone
en el camino, mientras que la fuerza de sustentación es la que puede resultar
en dirección vertical y perpendicular a la dirección del flujo. Una vez hecho esto
se procede a inicializar el cálculo y por último se establece un número de
iteraciones de 5000.
Una vez realizado todos los requerimientos de FLUENT para la solución, se
procede a calcular el problema, se espera un tiempo que el programa haga su
trabajo.
POST-PROCESAMIENTO:
En esta sección se tienen los resultados del proceso iterativo.
Fig. 10 Diagrama de velocidades con el mallado vas to.
Con el primer mallado el problema converge a casi las 1200 iteraciones,
presentando un comportamiento ascendente y luego tiende a estabilizarse.
Este es el resultado de la geometría de 50mts y 20 mts. Aunque este grafico no
dice nada con respecto a los datos arrojados presentaremos el comportamiento
de los coeficientes de arrastre y de sustentación.
Fig. 11 Coeficiente de arrastre.
El coeficiente de arrastre como es de esperar muestra un comportamiento a
estabilizarse, primero tiene grandes oscilaciones pero una vez se el flujo tiende
al estado estacionario el tomo un comportamiento a estabilizarse. CD es un
coeficiente adimensional que es función del número de Reynolds y de la forma
del cuerpo. Aquí este coeficiente tiende a ser muy grande debido a que el área
de choque o el área frontal del cilindro son grandes.
Figura 11. Coeficiente de sustentación.
Cuando un cuerpo está inmerso en una corriente fluida, además de las fuerzas
de resistencia, existen fuerzas de sustentación que son normales a la dirección
incidente. La fuerza sustentadora es igual a:
Donde CL es un coeficiente adimensional, que denominaremos de
sustentación, función del número de Reynolds y de la forma, y Aplanta es el
área en la dirección del movimiento.
Estas fuerzas pueden ser de varios tipos según su origen:
1. Por distorsión no simétrica. Cuando un objeto inmerso en una corriente
fluida distorsiona de forma no simétrica el campo de velocidades, las
líneas de corriente sobre sus superficies se aproximan, aumentando la
velocidad y consecuentemente disminuyendo la presión. Si la
disminución de la presión de la cara superior es mayor que la de la cara
inferior, surgen fuerzas sustentadoras.
2. Por desprendimientos de vórtices. En el caso de un cilindro con
Reynolds entre 300 y 3·105 hay vórtices alternados desprendidos que
generan circulación de corriente. Además, hay otra igual y contraria
sobre el cuerpo, la cual hace que aumente la velocidad y disminuya la
presión en la parte superior, y que disminuya la velocidad y aumente la
presión en la parte inferior, surgiendo por tanto fuerzas transversales.
Estas fuerzas alternas, si entran en resonancia con la frecuencia propia
del cuerpo, pueden ser muy perjudiciales.
3. c) Perfil sustentador. En un perfil sustentador se desea que la fuerza
sustentadora, FL, sea alta y la resistente al avance, FD, muy baja. Para
ello se diseña el perfil de forma que, en su parte posterior, se desprenda
un gran torbellino con gran circulación, a la cual le corresponderá otra
igual y contraria circulando alrededor del cuerpo. De esta forma aumenta
la velocidad y disminuye la presión en la parte superior y disminuye la
velocidad y aumenta la presión en la parte inferior. Consecuencia de
todo lo anterior, bajo un adecuado ángulo de ataque del perfil, puede
llegar a surgir una gran fuerza sustentadora.
Una vez analizado los resultados se procede a la simulación de la velocidad,
vorticidad en la corriente y en los contornos.
Fig.12 función de corriente sobre el cilindro.
Aquí se puede ver como la corriente de aire pasa por el flujo creando tras del
una zona de alta turbulencia con desprendimiento de vórtice. Como ya se dijo
esto produce grandes coeficientes de sustentación, y puede provocar que el
sistema entre en resonancia.
Fig. 13 vorticidad sobre el cilindro.
La vorticidad es una medida para cuantificar la rotación de un fluido. Se puede
ver que detrás del cilindro posee una alta vorticidad esto quiere decir que la
rotación es muy alta.
Fig.12 magnitud de la velocidad en los contornos.
Aquí se puede ver como las líneas chocan con la superficie que se tomo de
20mts de ancho, esto ocurre debido a que el dominio que se tomo no es lo
suficiente para establecer una velocidad en los contornos de cero.
Cuando se procede a evaluar el mallado de 76000 elementos se tiene lo
siguiente:
Fig. 13 diagramas de velocidades.
Este comportamiento es muy distinto aquí para converger se necesitaron
alrededor de 24000 iteraciones. Se puede ver que la velocidad toma un
comportamiento monotípico.
Fig. 14 Evolución del coeficiente de arrastre.
Fig. 15 Evolución del coeficiente de sustentación.
Fig.16 Desprendimiento de vórtices.
Se puede ver que este proceso iterativo se adapto mejor a la evolución del
fenómeno donde se puede apreciar claramente los remolimos que se
desprendieron del cilindro.
Fig.17 Desprendimiento de vórtices.
Para un mallado de 96000 elementos se tiene:
Fig. 17 diagramas de velocidades.
Fig. 18 Evolución del coeficiente de sustentación.
Fig.19 Desprendimiento de vórtices.
Aquí se puede apreciar que a partir del mallado de 76000 elementos los
resultados obtenidos son similares.
