Simulación numérica en ANSYS Fluent del flujo a través de una compuerta en un canal de laboratorio

• Mogollón-Mogollón , Fernando ^[1] ; Hernández-Avilés , Diana Margarita ^[1]
  1. [1] Universidad Militar Nueva Granada

     Universidad Militar Nueva Granada

     Colombia

     
• Localización: Revista UIS Ingenierías, ISSN-e 2145-8456, ISSN 1657-4583, Vol. 23, Nº. 3, 2024 (Ejemplar dedicado a: Revista UIS Ingenierías), págs. 33-46
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Numerical Simulation of Flow through a Laboratory Channel Gate using ANSYS Fluent
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    Los estudios del flujo en estructuras de control requieren desarrollar ecuaciones diferenciales no lineales que no tienen solución analítica pero que se pueden aproximar a partir de la aplicación del método de volúmenes finitos en los modelos matemáticos como lo es Fluent. El artículo presenta un análisis comparativo entre un modelo numérico y un modelo físico del flujo de agua en un canal de laboratorio utilizando ANSYS Fluent. El alcance del estudio abarca desde el desarrollo de un modelo 2D del canal de laboratorio con sección de control de tipo compuerta rectangular plana deslizante y el desarrollo matemático de las ecuaciones de Navier-Stokes para modelar un flujo bifásico de agua y aire en todo el dominio computacional, utilizando las condiciones de contorno adecuadas. Para la metodología se empleó técnicas de simulación numéricas utilizando ANSYS Fluent, aplicando el método de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones de flujo y técnicas experimentales, mediante mediciones directas tomadas en el laboratorio. Los resultados demuestran una similitud del 95.46% entre la modelación matemática, las mediciones directas y los cálculos analíticos. Mientras que las variables como el coeficiente de descarga, los perfiles de flujo, las velocidades en diferentes puntos del canal y la distribución de la presión se mantuvieron consistentes en todo el dominio computacional. En conclusión, se destacan las ventajas del modelo numérico sobre el físico, resaltando su eficiencia y economía al permitir modificaciones en las configuraciones del problema, así como en los modelos de turbulencia y condiciones de contorno de manera fácil y simultánea. Además, se resalta la importancia del modelo numérico al proporcionar resultados más precisos que las mediciones directas hechas en el modelo físico, especialmente en las zonas de turbulencia y en la interacción del flujo bifásico en el canal y en la compuerta. Finalmente, es importante incluir en este tipo de estudios un análisis de sensibilidad y refinamiento del mallado en el modelo matemático para evitar fluctuaciones cerca de la compuerta donde la sección se contrae.

  • English

    Flow studies in control structures require the development of nonlinear differential equations that have no analytical solution but can be approximated by applying the finite volume method in mathematical models such as Fluent. This article presents a comparative analysis between a numerical model and a physical model of water flow in a laboratory channel using ANSYS Fluent. The scope of the study includes the development of a 2D model of the laboratory channel with a control section of a sliding flat rectangular gate and the mathematical development of the Navier-Stokes equations to model a biphasic flow of water and air throughout the computational domain, using appropriate boundary conditions. The methodology employed numerical simulation techniques using ANSYS Fluent, applying the finite volume method to solve the flow equations, and experimental techniques through direct measurements taken in the laboratory. The results demonstrate a 95.46% similarity between the mathematical modeling, direct measurements, and analytical calculations. Variables such as discharge coefficient, flow profiles, velocities at different points in the channel, and pressure distribution remained consistent throughout the computational domain. In conclusion, the advantages of the numerical model over the physical model are highlighted, emphasizing its efficiency and cost-effectiveness by allowing easy and simultaneous modifications in problem configurations, turbulence models, and boundary conditions. Additionally, the importance of the numerical model is highlighted by providing more accurate results than direct measurements made on the physical model, especially in turbulent areas and in the interaction of biphasic flow in the channel and gate. Finally, it is important to include a sensitivity analysis and mesh refinement in the mathematical model in such studies to avoid fluctuations near the gate where the section contracts.