Planteamiento del análisis
En este estudio buscamos aplicar la simulación CFD para obtener las fuerzas originadas por el flujo en un túnel sumergido, especialmente la componente dinámica de la fuerza vertical. En el dimensionado de estas estructuras, esta carga deberá considerarse junto con las contribuciones debidas al tráfico, el peso propio, etc.
La mecánica de fluidos computacional permite resolver de forma numérica las ecuaciones que gobiernan el movimiento del fluido, obteniendo con ello el campo de presiones y los esfuerzos tangenciales sobre la estructura. Para poder evaluar la componente dinámica el análisis que se realiza es de tipo transitorio.
En primer lugar, estudiamos un caso base con un solo cilindro que modela un único túnel, para el cual existen datos experimentales en referencias bibliográficas conocidas. El caso que queremos analizar tiene un número de Reynolds elevado, de unos 40 millones.
Preparación de los modelos CFD
Para realizar los análisis utilizamos un modelo pseudo-2D que resolvemos en el software Cradle ScFlow. El dominio de agua alrededor del túnel debe extenderse lo suficiente para minimizar la influencia de las condiciones de contorno del modelo sobre la estructura.
Tras ello debe generarse un mallado que pueda captar los efectos de la capa límite y el comportamiento general del fluido. En las siguientes imágenes vemos el dominio empleado y un detalle del mallado:
El flujo de agua entra al dominio por la parte izquierda a una velocidad impuesta función del número de Reynolds a estudiar, y sale libremente por las otras superficies del campo lejano.
Resultados de la simulación CFD
Con la simulación CFD podemos ver las estelas en el flujo generadas por el túnel, y podemos medir el efecto dinámico de las fuerzas generadas.
Estos análisis nos permiten obtener parámetros de interés como el número adimensional de Strouhal o el promedio de los coeficientes de Lift y Drag. En la siguiente gráfica se muestra el resultado obtenido para las fuerzas verticales.
Estos resultados encajan bien con los datos experimentales obtenidos de la bibliografía sobre dinámica de referencia. Para el número de Strouhal se comprueba un caso menos turbulento, con Reynolds de 10000, y el caso de Reynolds 40 millones, obteniendo en ambos casos resultados que concuerdan con lo experimental en el rango de precisión indicado en la bibliografía.
Estudios con configuraciones adicionales
Una vez validada la metodología procedemos al estudio de otras configuraciones de interés. Comenzamos esta fase analizando el caso de dos líneas de túnel paralelas, como podría suceder para implementar los dos sentidos de circulación del tráfico. Los contornos de los túneles se encuentran separados una distancia igual a un cuatro del diámetro.
La fuerza vertical obtenida no presenta una forma sinusoidal tan claramente definida como en el caso inicial, por lo que procedemos a realizar un análisis de Fourier para encontrar las contribuciones principales de la respuesta obtenida. En la imagen se muestra el análisis realizado para el túnel delantero.
Por último, estudiamos el efecto de incluir ambos túneles en una envolvente con forma de elipse, para suavizar el efecto del flujo sobre la estructura. Estudiando el campo de presiones y las fuerzas en la estructura comprobamos que para ángulos de incidencia pequeños se consigue el efecto deseado, pero para ángulos de incidencia del flujo más pronunciados el comportamiento es menos deseable.
En concreto aparece una zona de bajas presiones en la parte superior delantera que produce fuerzas algo más elevadas que en el caso inicial en la dirección opuesta al flujo inicial.
