Simulación numérica de flujos fluido partícula mediante la implementación de un modelo euleriano de una sola fase

Abstract

En las últimas décadas la Dinámica de los Fluidos Computacional (CFD) ha cobrado una gran relevancia gracias a la ampliación de su rango de aplicabilidad, consecuencia parcial del fuerte aumento de la capacidad de cómputo así como del desarrollo de valiosas herramientas computacionales. En particular, la combinación de los CFD con modelos de dispersión de partículas ha resultado de valiosa utilidad para la comunidad científica, área en la que se enfoca este trabajo de tesis. El transporte de partículas es probablemente uno de los desafíos más complejos e importantes dentro de la dinámica de fluidos y su relación con el flujo, aún para casos simples, no está completamente comprendida en la actualidad. El objetivo de esta propuesta consiste en enriquecer las capacidades del código CFD-caffa3d de manera de mejorar su competencia para la resolución numérica del transporte de partículas inmersas en un flujo turbulento. El modelo elegido para representar el material particulado fue presentado previamente por Lalli et al. 2005 y considera el sistema fluido-partículas como un cuerpo pseudo-continuo de una sola fase, analizando el movimiento de éste en su conjunto considerando la interacción fluido-partícula en términos de una viscosidad efectiva que depende de las características locales de la fracción volumétrica de éstas. Esta viscosidad está definida por medio de esquemas Newtoniano y no Newtoniano ligados adecuadamente, de manera de representar tanto materiales puramente fluidos, como fluidos con material en suspensión (de mayor o menor concentración) y hasta sedimentos con un alto grado de empaquetamiento. Para la validación del modelo se eligieron una serie de experimentos numéricos y de laboratorio desarrollados y documentado previamente por otros autores: el estudio del desmoronamiento del talud de una presa, la sedimentación de arena en una mezcla de agua y arcilla, y finalmente la erosión generada sobre un lecho de arena causada por chorros verticales turbulentos y sumergidos de forma circular y plana. A partir del análisis de resultados se ha evidenciado que el modelo logra representar adecuadamente los diferentes procesos físicos predominantes en los ejemplos elegidos con una buena concordancia cuantitativa en varios aspectos. Se ha observado que, si bien excede el alcance de este trabajo, la traducción de los parámetros que caracterizan al sedimento hacia los parámetros numéricos del modelo es un aspecto que debe ser profundizado. Se puede concluir que los objetivos propuestos han sido cumplidos satisfactoriamente, logrando la implementación de un modelo que utiliza sobre la base de volúmenes finitos un esquema implícito de alta resolución para la discretización de las ecuaciones así como esquemas LES para la parametrización de la turbulencia.