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

Resumen

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.