CFD-10. Difusor. Influencia de las condiciones de entrada.

Este post sobre Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) continúa la serie de entradas dedicadas a la simulación CFD de escenarios donde la turbulencia desempeña un papel fundamental. En este caso comentamos la importancia de definir unas condiciones de entrada del flujo que representen fielmente la realidad.

De nuevo trabajaremos con un dominio prácticamente bidimensional ya que el dispositivo tiene una simetría clara en coordenadas cilíndricas. En este caso trabajaremos con Hyperworks CFD para preparar el modelo y lo resolveremos empleando Acusolve. La geometría del dominio de simulación se puede ver en la siguiente imagen.

Modelo geométrico y mallado para el análisis CFD del difusor

Preparación del modelo y definición de las condiciones de entrada

El objetivo será comparar los resultados de diversos modelos de turbulencia con una serie de datos experimentales. Las condiciones de entrada en el caso real no son uniformes, pero para las simulaciones CFD daremos una estimación de las condiciones medias en el inlet.

De esta forma podremos comprobar si los resultados obtenidos se adecuan a la realidad con esta simplificación o si sería necesario definir una distribución más compleja y realista antes de lanzar la simulación. Los modelos a comparar son SST, K-omega, Realizable K-Épsilon y Standard K-Épsilon.

Simulación CFD y Resultados

Los resultados completos pueden encontrarse en nuestra sección de Descargas. También se dispone de algunos resultados en Ansys Fluent donde las condiciones en el inlet se han colocado de forma directa importando un perfil de las magnitudes a la entrada. A continuación se muestra como ejemplo los resultados de velocidad empleando el modelo SST en Acusolve.

Resultados de velocidad del análisis CFD con modelo de turbulencia SST

Análisis de resultados

Para comparar los resultados obtenidos mediante simulación CFD con los experimentales, se lleva a cabo un proceso similar al del tutorial anterior. Se colocan Point Probes a lo largo de la línea central de la pared inferior y en ciertas otras localizaciones. Estas medidas se exportan a una hoja de cálculo donde tratar los resultados para generar gráficas.

A continuación se calculan a través de sus definiciones algunos coeficientes representativos y los perfiles de velocidades en determinadas secciones. Estos se comparan con resultados experimentales. Como ejemplo se muestran a continuación las gráficas de los coeficientes de fricción y de presión.

En este caso se comprueba que el ajuste del coeficiente de fricción es mejorable, sobre todo en la zona de la entrada, pero una vez se desarrolla el flujo se vuelve aceptable, especialmente con el modelo Realizable K-Épsilon.

En cuanto al coeficiente de presión, el ajuste es notablemente malo en todo el dominio. Esto se debe a que la definición del coeficiente de presión toma como valor la presión representativa de la entrada para la adimensionalización. Por ello el error de la aproximación media en la entrada se amplifica en gran medida.

De este estudio se puede concluir que es fundamental conocer las propiedades del flujo a la entrada antes de lanzar una simulación CFD, especialmente si se desea conocer valores numéricos del flujo más allá del comportamiento global. En caso de no poder estimar fielmente estas propiedades, el dominio debe generarse de forma que los resultados de interés se encuentren suficientemente lejos de la entrada. 

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