Ciencias Técnicas y Aplicadas
Artículo de investigación
Diseño de
una metodología para análisis de flujo de una tubería de conducción para riego
Design of a methodology for flow analysis
of a pipe for irrigation
Projeto de metodologia para análise de fluxo de tubulação condutora para
irrigação
Cristofer Tacle-Humanante II itacle0711@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-9528-7686
Correspondencia: ptacle@espoch.edu.ec
*Recibido: 31 de agosto de 2021
*Aceptado: 30 de septiembre de 2021 * Publicado: 12 de octubre de 2021
I.
Ingeniero, PhD en Ciencias, Docente
de la Facultad de Recursos Naturales en la Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
II.
Ingeniero Químico, Magíster en
Química, Investigador independiente, Riobamba, Ecuador.
Resumen
El
objetivo de este trabajo de investigación es comprender el comportamiento del
flujo del agua a través de una tubería de transporte para riego de doble
entrada, analizando la velocidad, presión y temperatura. La dinámica de fluidos
computacional (CFD), es un enfoque útil para resolver las ecuaciones que
describen el movimiento de los fluidos, mediante métodos numéricos y técnicas
computacionales; esta área de la mecánica de fluidos proporciona los
fundamentos de la hidráulica de tuberías e hidráulica de canales. Se ha
realizado un estudio del flujo a través de la tubería de 12 m para transporte
de riego para calcular velocidades, presiones y temperaturas. Se emplearon
cálculos mediante el uso del modelo K-épsilon del software. Esta simulación
proporciona los valores de presión, velocidad máxima, presiones y temperaturas
en la unión de los dos flujos de transporte dentro de la tubería. La velocidad
de salida calculada es de 1, 67 m/s, en tanto que la velocidad máxima se da en
la convergencia de flujos y tiene un valor de 2, 46 m/s, estos cálculos permite
generar una metodología general para el análisis de flujos en tres dimensiones como
herramienta para la academia e investigación.
Palabras claves: fluidos;
ANSYS fluent; presión; velocidad; flujo.
Abstract
The
objective of this research work is to understand the behavior of the water flow
through a transport pipe for double entry irrigation, analyzing the speed,
pressure and temperature. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful
approach to solve the equations that describe the movement of fluids, using
numerical methods and computational techniques; this area of fluid mechanics
provides the fundamentals of pipeline hydraulics and channel hydraulics. A
study of the flow through the 12 m pipe for irrigation transport has been carried
out to calculate speeds, pressures and temperatures. Calculations were used
using the software's K-epsilon model. This simulation provides the values of
pressure, maximum velocity, pressures and temperatures at the junction of the
two transport flows within the pipeline. The calculated outlet velocity is 1.67
m / s, while the maximum velocity occurs in the convergence of flows and has a
value of 2.46 m / s; these calculations allow generating a general methodology
for the analysis of flows in three dimensions as a tool for academia and
research.
Keywords: fluids; ANSYS fluid;
Pressure; speed; flow.
Resumo
O objetivo deste trabalho de pesquisa é compreender o
comportamento do escoamento da água através de um duto de transporte para
irrigação de dupla entrada, analisando a velocidade, pressão e temperatura. A
dinâmica de fluidos computacional (CFD) e uma abordagem útil para resolver as
equações que descrevem o movimento dos fluidos, usando métodos numéricos e
técnicas computacionais; Esta área da mecânica dos fluidos fornece os
fundamentos da hidráulica de dutos e hidráulica de canal. Foi realizado um
estudo da vazão da tubulação de 12 m para transporte de irrigação para cálculo
de velocidades, pressões e temperaturas. Os cálculos foram usados
usando o modelo K-epsilon do software. Esta simulação fornece os
valores de pressão, velocidade máxima, pressões e temperaturas na junção dos
dois fluxos de transporte dentro da tubulação. A velocidade de saída calculada
é de 1,67 m / s, enquanto a velocidade máxima ocorre na convergência dos fluxos
e tem um valor de 2,46 m / s, esses cálculos permitem gerar uma metodologia
geral para a análise de fluxos em três dimensões como ferramenta para academia
e pesquisa.
Palavras-chave: fluidos; ANSYS fluente; Pressão; Rapidez; fluxo.
Introducción
El análisis de fluidos
computacional es de suma importancia en la actualidad nos permite obtener y
estimar diferentes variables como velocidades, temperaturas, presiones, en
diferentes componentes, esto nos permite validar procesos e investigaciones,
acortando el tiempo y ahorrando diversos recursos computacionales, físicos,
económicos y otros.
Es así, que desde
tiempos antiguos el ser humano ha usado la ingeniería para llevar agua a
lugares donde iba a ser usada, por ese motivo se vio en la necesidad de
construir sistemas de riego para cultivar plantas que eran primordiales para su
subsistencia. Es así que su economía estaba basada primordialmente en la
agricultura por lo que aprender las técnicas de distribución del agua en
regiones donde la lluvia no regaba correctamente los cultivos era de vital
importancia. (Ferreyra, R., Sellés Van, G., & Sellés, I. 2019 citado en
Rodríguez Ureña, 2020)
Un sistema de riego es
de fundamental trascendencia en la agricultura puesto que mediante diferentes
mecanismos se logra desviar o captar agua de un cuerpo acuífero con el
propósito de aumentar el flujo de agua disponible para los cultivos agrícolas e
incluso para intensificar el rendimiento de estos, lo cual es fundamental para
mantener una producción agrícola en épocas donde lluvias son inferiores a
niveles normales o incluso en épocas de sequía.
“La demanda hídrica
para la agricultura, se refiere a la suma del volumen de agua requerido para
riego por cada uno de los cultivos en una unidad de área durante todo su
período de crecimiento. La demanda de agua para riego para un cultivo en
particular es estimada a partir de la demanda de agua para cultivos de
referencia, restada de la precipitación efectiva. En el año 2010 la demanda de
agua para riego en el Ecuador fue de 13.045 hm3, y para el año 2025
esta demanda se estima en 16.796 hm3, es decir la demanda aumenta un
22.4% en 15 años”. (Subsecretaria de
Riego y Drenaje, 2019)
La simulación de
dinámica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) es un
instrumento que ayuda a analizar el tipo de comportamiento que puede tener un
fluido en diferentes entornos en los que se mueven. Este software usa
diferentes modelos para analizar diferentes perfiles como presión, velocidad,
temperatura, viscosidad de los fluidos en estudios teniendo presente los
distintos modelos que tienden a ajustarse a un fluido determinado. En el campo
de la investigación y desarrollo I&D este tipo de simulaciones ayudan a
crear procesos dinámicos sin la necesidad de entrar a un laboratorio para
realizar experimentaciones. (Galvis, 2018)
(Toapanta Ramos
et al., 2018) da a comprender la
conducta que presenta el flujo del agua a través de la contracción gradual de
una tubería. Además, menciona que mediante CFD se logra un enfoque útil para
solucionar las ecuaciones que representan a la dinámica de los fluidos. Pudo
calcular las pérdidas debido al cambio transversal del área en una tubería
mediante el estudio del flujo del fluido, es así como mediante esta simulación
determinó valores de velocidad, presión y turbulencia cinética en diferentes
secciones de la tubería donde el agua era el fluido.
Las líneas de energía
de un fluido de agua deben ser definidas en un sistema de riego para evitar
variantes de presión y velocidad que afectan en rendimiento del sistema. (Iñiguez-Covarrubias
et al., 2015) ha estudiado
diferentes aforadores Venturi con CFD para validad con observaciones de
laboratorio. “La comparación de los resultados experimentales y mediante CFD
fueron altamente satisfactorios para los valores de velocidad media (1.53 m
s-1), gasto (0.027 m3 s-1) y presión en
el manómetro diferencial (15 cm de Hg). Una vez validado el modelo, se
simularon ocho escenarios de operación, con variación de gasto desde 0.005 m3
s-1 hasta 0.040 m3 s-1, lo cual simplificó el
modelo de la relación gasto-pérdida de carga del Venturi”.
Las simulaciones
numéricas en CFD mediante diferentes modelos y ecuaciones permiten predecir el
flujo de un fluido. Es así que (Camargo et al.,
2021) analizó los
principales métodos en base a la simulación numérica y ecuaciones básicas para
predecir flujos, cálculo de malla y criterios de correlación de resultados.
Además, menciona que estas aplicaciones que son descritas brevemente expresan
que mediante CFD una modelación puede ser rápida, viable y precisa para el
análisis de caudal, tuberías, conexiones y accesorios en el proceso de riego.
(Zanca et al.,
2019) menciona que la CFD y
sus herramientas gana notabilidad, admitiendo la predicción del comportamiento
hidráulico de un fluido en diferentes situaciones. Además, mediante las
herramientas CFD evaluó un sistema completo compuesto por tuberías y goteo el
cual comparó con los resultados de los catálogos del fabricante demostrando que
el modelado en CFD fue exitoso.
De esta manera, el presente trabajo tiene como
finalidad de analizar un fluido con dos entradas a diferentes temperaturas y su
simulación CFD para evaluar las velocidades de entrada y salida, presiones y
temperatura del fluido a lo largo de la tubería de transporte destinada para el
proceso de riego, como generar un aporte de una metodología en tres dimensiones de análisis para fluidos en volúmenes
finitos.(Tacle-Humanante
et al., 2019).
Materiales y métodos
En La dinámica de fluidos
computacional o CFD, es el área de conocimiento que trata sobre la simulación
numérica de fluidos, transferencia de calor, reacciones químicas, combustión, Aero
acústica. Las ecuaciones resueltas poseen cuatro términos el término de
tiempo, el término advectivo, el término difusivo y el término fuente. Para
representar diferentes ecuaciones de conservación se alteran sólo tres
componentes de la ecuación: la variable Φ, el coeficiente de
difusión Γ, y la fuente S (Equipe, 2016). El método de volúmenes finitos es el más
utilizado en dinámica de fluidos el cual intercambia el dominio continuo por
uno discreto, donde un conjunto de volúmenes de control es utilizado para
representar el dominio original, según se muestra en la figura 1.
Figura 1. Dominio
discretizado en pequeños volúmenes
El método
consiste en discretizar una región dividiéndola en pequeños volúmenes de
control. Se resuelve en cada uno de ellos las ecuaciones de conservación
discretizadas, es decir se resuelve una matriz algebraica en cada celda de
forma iterativa., resolviéndose simultáneamente las ecuaciones de cantidad de
movimiento y energía. Dividiendo el proceso en etapas tenemos las siguientes:
Condiciones Iniciales y modelamiento del problema, pre-procesamiento, solución
y post-procesamiento. (Ver figura 2.)
Figura 2. Modulo Fluid
Flow (Fluent) de CFD
La presente investigación
se realiza con la ayuda de mecánica computacional de fluidos CFD. El sistema (Pérez Colas et al.,
2020)
evaluado en tres dimensiones está constituido
por una tubería de dos entradas,
diámetro 152 mm y longitud 12 m, para agua a 20 oC en las que
se conocen las condiciones de diseño; la otra entrada tubería de 152 mm de
diámetro y 3 m de longitud.
Primera
Etapa Condiciones Iniciales:
Se analiza para las
siguientes condiciones, según se muestra en la tabla1.(Cueva, 2021)
Tabla 1. Condiciones del problema
|
Variables
para analizar |
|
|
Fluido
de trabajo |
Agua
Líquida |
|
Flujo |
Laminar |
|
Diámetro
tubería 1 |
152 mm |
|
Longitud
tubería 1 |
12 m |
|
Velocidad
de entrada 1 |
0,5
m/s |
|
Diámetro
tubería 2 |
152 mm |
|
Longitud
tubería 2 |
3 m |
|
Velocidad
de entrada 2 |
1 m/s |
Segunda
Etapa Pre-procesamiento:
Una vez
determinadas las condiciones iniciales del problema en tres dimensiones a solucionar
para un flujo en una tubería con dos entradas, mediante el análisis CFD, se
debe seguir los siguientes pasos:
Abrir el
programa Ansys Workbench
Seleccionar y
abrir el módulo Fluid Flow (Fluent), como se muestra en la figura 3
Figura 3. Modulo Fluid
Flow (Fluent) de CFD
Luego dibujar
la geometría de acuerdo a las especificaciones en un software Cad SolidWorks, (Tacle Humanante
et al., 2019) se analiza
una tubería con dos entradas, según
muestra la figura 4.
Figura 4. Modelado
geométrico de la tubería en SolidWorks
Ahora importamos la geometría
generada de la tubería a ansys fluent. (Ver figura 5)
Figura 5. Modelado
geométrico de la tubería en SolidWorks importado a ansys.
El siguiente
paso, se configura y se genera la malla para un valor de convergencia de 8 mm,
y un refinamiento de 0.05 mm. (Ver figura 6.)
Figura 6. Mallado del
volumen del fluido
Se selecciona
en la tubería las áreas de entrada, paredes y salida del flujo. (Ver figura 7.)
Figura 7. Área de
entrada del flujo
Tercera Etapa
Solución:
Ahora
establecemos condiciones de entrada y parámetros mediante el solver de Ansys
Fluent. (Ver figura 8.)
Figura 8. Solver de
ansys fluent
Se selecciona
un modelo de k épsilon y como fluido de trabajo agua líquida. (Ver figura 9.)
Figura 9. Modelo de
análisis
Luego se
selecciona un número de iteraciones para convergencia y se inicia el cálculo. (Ver
figura 10.)
Figura 10. Iteraciones
para calcular
El análisis de este trabajo es similar a otros
trabajos reportados en la literatura científica como (Toapanta et al.,
2018) donde se
analiza problemas de flujos incompresible con densidad constante.
Resultados y discusión
Cuarta
Etapa Post-procesamiento:
Se inicia la
simulación de un fluido de trabajo (agua líquida) para dos entradas. La
velocidad de entrada a la tubería 1 es de 0,5 m/s a 20oC y de 1 m/s.
a 30 oC para la segunda tubería.
En la siguiente
figura 11 se puede observar las velocidades del fluido en las paredes que tiene
un valor de 0 m/s, debido al rozamiento.
Figura 11. Velocidades
en las paredes de la tubería
Mediante este
análisis CFD para fluidos en la figura 12 se observa líneas de velocidades donde el comportamiento de la
velocidad del fluido es máximo en la línea media del eje hacia el centro, la velocidad máxima que se obtiene es de 2,46 m/s, debido a que se debe vencer la
presión para que exista movimiento.
Figura 12. Líneas de
Velocidades
La velocidad a la
salida de la tubería es de 1,67 m/s, como se muestra en la figura 13.
Figura 13. Velocidad a
la salida
Luego analizamos la
presión de salida en el fluido real, es mayor entre la entrada y salida de
esta, con un valor de 2,217 x 10+03 Pa, debido a que se debe vencer las fuerzas
de resistencia para generar movimiento. (Ver figura 14.)
Figura 14. Cambios de
presiones en el flujo
Luego analizamos la
temperatura a la salida, y se puede observar que disminuye con un valor de 2,98
x 10+02 K, debido a la mezcla de los dos fluidos de transporte. (Ver figura
15.)
Figura 15. Cambios de
temperatura
El análisis de esta
investigación como los resultados son similares
a los presentados por (Toapanta et al.,
2018) donde se recalca que en un flujo la velocidad
máxima ocurre en el centro del perfil de velocidades y la presión varia para generar movimiento venciendo las
fuerzas de resistencia, donde más presión y velocidades se producen es en la
unión de los flujos.
Metodología para
análisis de un flujo en 3D para tubería de dos entradas.
A partir de los
procedimientos anteriores, se desarrolla la siguiente metodología para análisis
de una tubería de transporte para riego de dos entradas en tres dimensiones (ver figura
16).
Figura 16. Metodología
para análisis de fluidos en tres dimensiones
Conclusiones
La
Se plantean las siguientes
conclusiones:
·
Se
ejecutó la simulación numérica para el análisis de flujo en 3D en una tubería
para transporte de agua para riego con dos entradas, con 152 mm de diámetro. La
modelación se ejecutó para un fluido con velocidad de entrada de 0,5 m/s.
·
La
velocidad máxima se da en el centro de la tubería y en la unión de los flujos
con un valor de 2,46 m/s.
La velocidad a la salida luego de recorrer 11 m, es de 1,67 m/s.
·
La
presión en el flujo varía en la unión y su valor es 6,84 x 10+02 P.a., debido a
que se necesita generar movimiento.
·
La
temperatura disminuye con un valor de 2,98 x 10+02 K, debido a la mezcla de los
dos fluidos de transporte.
·
Se
desarrolló un procedimiento y metodología para analizar fluidos en 3D, mediante
CFD, como herramienta académica y de investigación.
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