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ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE FRONTERA EN LA INTERFASE AIRE AGUA (SUPERFICIE) PARA LA SIMULACIÓN HIDRODINÁMICA DE LAGUNAS FACULTATIVAS SECUNDARIAS
A. Aponte*, A. Toro*, L. Dueñas**, S. Laín**, M. R. Peña V.*,
*Instituto Cinara, Universidad del Valle, Cali, Colombia** Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia
Lagunas facultativas.
(Gloyna, 1971; Mara, et al, 1992; Shilton, 2000, Mendoza, 2001; Banda, 2003).
Computational Fluid Dynamics.
Soluciones numéricas.Transferencia y conservación de masa, energía, cantidad de movimiento y otros procesos (Patankar, 1980).Modelos en 2 y 3 dimensiones.Software comerciales.
Computational Fluid Dynamics. Componentesde una soluciónnumérica.
Modelo matemático.Método de discretización.Sistema de coordenadas y vectores.Tipo de malla.Las aproximaciones finitas.El método de solución de las ecuaciones.Criterios de convergencia (Ferziger & Peric, 2002; Fluent, 2006).
CFD y LagunasFacultativas
Modelos en 3D.CFD y trazadores.Estudio de condiciones de diseño físico que afectan patrones de flujo (Shilton, 2000; Shilton, et al, 2003; Lloyd, et al, 2003, Banda, 2007).
Banda, 2007
CFD y LagunasFacultativas
Análisis de condiciones de proceso (Salter, et al, 2000, Sweeney, et al, 2005).Módulos de proceso (Beran y Kargi, 2007; Banda, 2007).
Beran y Kargi, 2007
Abbas, et al, 2006
CFD y condiciones de frontera
Definición de fronteras.
Condiciones de frontera.
En Lagunas facultativas:
Entradas y salidas de agua.Paredes de fondo y paredes laterales.Interfase atmósfera – superficie de agua. Aire –Agua.
Fronteras en FLUENT ® .Condiciones de masa, momentum y energía en las fronteras.Fronteras de entrada y salida, Inlet y outlet: representan entradas y salidas en el modelo.Fronteras tipo pared, Wall: Esta frontera es utilizada para separar regiones de sólidos de regiones de fluidos en el modelo.Fronteras internas, Internal zones.Fluid, and solid (porous is a type of fluid zone).Fronteras caras internas de las fronteras.
Materiales y métodos.
L / 3
Salida
Entrada
L
L / 3
Salida
Entrada
LAGUNA SIN BAFLES ENTRADA LONGITUDINAL.(EL).
LAGUNA SIN BAFLES ENTRADA TRANSVERSAL. (ET).
PUNTOS DE MONITOREO
Materiales y métodos.
Variables Unidades Modelo Variables Unidades Modelo
Caudal L/s 0,33 Relación L/B 3,00Temperatura ° C 25 Altura m 1,50Viscosidad absoluta o dinámica
kg/m*s 0,000894 Talud 1:1
Densidad kg/m3 997,1 Ancho espejo de agua m 6,20
Número de Reynolds entrada
18449,79 Largo espejo de agua m 18,60
Volumen m3 120,56TRH (nominal) días 4,23
Materiales y métodos.
Laguna Piloto simuladas
Tipo de entrada a
las lagunas
Tipo de salida de
las lagunas
Tamaño de los elementos m3. Número de elementos
1. Entrada longitudinal Tubería
circularSumergida
Min: 7.10 e-9 - Max 2.9.e-3
Min: 3.20 e-9 – Max 4.2.e-4164.500814.200
2. Entrada transversal
Min: 4.52 e-9 – Max 3.0.e-3
Min: 5.80 e-9 – Max 4.48e-4165.000805.000
Modelo de flujo laminar.Cantidad de movimiento y continuidad.
Wall Free slip shear (FS). Fluent calcula la velocidad tangencial a la frontera.
Pressure outlet (PO). Fluent adopta el valor de presión estática definido y extrapola las otras características a partir del interior del dominio.
Velocity inlet (VI). Fluent calcula los flujos de masa y momento a partir del componente normal de la velocidad fijada.
Materiales y métodos.
Independencia de las mallas.
Convergencia.
Análisis, post proceso.
Materiales y métodos.
Independencia de las mallas.
FRONTERA: FS.
EL
Independencia de las mallas.
FRONTERA: FS.
ET
Convergencia EL. Residuales.
FRONTERA: FS. FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia EL. Monitoreo.
FRONTERA: FS. FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia ET. Residuales.
FRONTERA: FS. FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia ET. Monitoreo.
FRONTERA: FS. FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2.
FREE SLIPPRESSURE OUTLET
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2.
FREE SLIPPRESSURE OUTLET
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2.
FREE SLIPPRESSURE OUTLET
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2.
FREE SLIPPRESSURE OUTLET
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. – 0.05 m.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. Longitudinal entrada.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. – 0.05 m.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. Transversal entrada.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Conclusiones.La definición de las condiciones de frontera de la interfase aire – líquido en una laguna facultativa tiene dos alternativas claramente óptimas para su simulación empleando Fluent, la FS y la VI.
Los gradientes de mezcla verticales en una laguna facultativa también pueden ser explicados en términos de su comportamiento hidrodinámico.
Conclusiones.CFD hace posible estudiar los aportes que desde la cantidad de movimiento se hace a los gradientes de mezcla vertical de una laguna facultativa.
El efecto combinado de las fuerzas viscosas y gravitatorias en una laguna facultativa produce zonas con regímenes de flujo laminar – subcrítico y turbulento – subcrítico.
Conclusiones.Para las condiciones de frontera FS y VI la forma de entrada del agua en la laguna convencional, incide fuertemente sobre el comportamiento del fluido.
El análisis de las condiciones de frontera en LF debe seguir un proceso metódico que permita realizar la mejor simulación.
Perspectivas.Condiciones de flujo turbulento.
Simulación para condiciones de viento.
Ecuación de la Energía.
Trazadores.
Balance energético.
Balance de especies de interés.
Validación modelos.