Los resultados a comparar entre ambos estudios se realizan para un ducto rectangular que cuenta con una RE de ¾ y un Re de 154000.
Los primeros resultados que se comparan entre la simulación numérica y el experimento son los perfiles de velocidad. Se seleccionan 4 perfiles de velocidad para la componente u y se muestran en la figura (5.1).
En la figura (5.2) se comparan los perfiles de velocidad medidos sobre el escalón, colocados en A según la nomenclatura de la figura (5.1), la diferencia que existe entre ellos es de aproximadamente el 5%, esto se debe principalmente a que el perfil obtenido con la simulación toma en cuenta muchos mas puntos de medición en la zona cercana a la pared que el obtenido en el túnel.
Los perfiles de velocidad que se encuentran en B, están localizados a 6H de distancia del escalón, cerca del punto de readherencia. En la sección ubicada entre los puntos 1-2 los perfiles presentan una diferencia máxima de 5%, pero ya que en el dominio computacional no se tiene una malla fina en toda la sección de la región de recirculación la diferencia entre ambos perfiles en la sección ubicada entre los puntos 3-4 es hasta de 10%.
Los perfiles ubicados en el punto C presentan una diferencia del 5% en la sección entre los puntos 1-2, y en la sección ubicada entre los puntos 3-4 la diferencia es hasta del 11%, esta diferencia se debe a que los perfiles se encuentra localizados en la región de redherencia a una distancia de 8H, donde el flujo presenta fluctuaciones en la velocidad, fluctuaciones que el programa no puede detectar. Para los perfiles ubicados en D la diferencia entre ellos se debe a la misma causa.
El resultado de caída de presión que se obtuvo del experimento realizado en el LABINTHAP fue de 24.16 ± 2.1 Pascales y el resultado que se obtiene de la simulación numérica con el programa FLUENT 6.0 es de 23 Pascales por lo que existe una diferencia aproximada entre ambos estudios del 5%, lo que indica que la simulación da resultados aceptables cuando se compara la caída de presión en ducto rectangular.
Para algunos autores como Eaton y Johnston [24] un porcentaje de diferencia entre los resultados experimentales y numéricos de aproximadamente 35% son aceptables, mientras se evalué el mismo fenómeno en las mismas condiciones; Biswas [25] indica que las diferencias que existen entre una simulación numérica y un experimento se deben a las restricciones que existen al simular flujo bidimensional mas allá de poder tener una malla muy fina. Por lo que los resultados obtenidos en este trabajo son considerados como aceptables.
Fi gu ra 5. 1. - Di st ri buci ón de p unt os de medi ci ón a lo la rg o de l ej e x.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 u / Uprom y / S EXPERIMENTO FLUENT
Figura 5.2.- Perfil de velocidad en la sección A.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 u / Upr om y / S EXPERIMENTO FLUENT
Figura 5.3.- Perfil de velocidad en la sección B.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 u / Uprom y / S EXPERIMENTO FLUENT
Figura 5.4.- Perfil de velocidad en la sección C.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 u / Uprom y / S EXPERIMENTO FLUENT
independientes en el flujo como:
1.- Espesor de la capa límite inicial; 2.- La relación de expansión; 3.- La relación de aspecto, que se define como la relación entre el ancho del túnel W y la altura del escalón (W/H) y 4.- Número de Reynolds.
De la simulación numérica se obtiene una gráfica que permite conocer el valor del punto de readherencia (figura 4.21 de este trabajo), en este capítulo se muestra la posición del punto desplegando las coordenadas del mismo.
En la figura (5.6) se tiene un acercamiento de los vectores de velocidad en la zona donde se encuentra el punto de readherencia (tal y como se hizo con la técnica de hilo en el capitulo anterior figura 4.7c). La figura muestra además 3 cuadros en la parte inferior, el cuadro de la izquierda indica las coordenadas del vector que tiene dirección contraria al sentido del flujo (el cual es de izquierda a derecha), el cuadro de la derecha presenta las coodenadas del vector que tiene el mismo sentido que el del flujo; así el cuadro central muestra las coordenadas del punto marcado con un rombo azul y que indican el punto intermedio entre estos vectores que se denomina punto de readherencia. En este cuadro se tiene una lectura para el eje x de 0.605m, a este valor debe restarse 0.3m que es la longitud del escalón, por lo tanto el valor para la distancia en la cual el flujo toca la pared inferior es de 0.305m. Con el método de visualización de placa de hilo se determinó la longitud del punto de readherencia, en la figura (5.7) se presenta un acercamiento a la placa de hilo donde se observa en la parte inferior de la zona comprendida entre 240 y 260mm, los hilos al igual que los vectores de velocidad mostrados en la simulación tienen sentidos opuestos, indicativo de que entre ellos se encuentra el punto de readherencia. Por lo que al igual que en la simulación numérica se determino la distancia promedio entre estos dos puntos para obtener la longitud del punto de readherencia que es de 250mm. Esta distancia representa 5 veces la altura del escalón y se expresa como 5H.
Al comparar el resultado de FLUENT para el punto de readherencia que es de 0.305m y el resultado obtenido de manera experimental en el LABINTHAP que es de 0.25m se concluye que el porcentaje de diferencia entre la simulación numérica y el experimento es de 15%. Principe [26] señala que el modelo de turbulencia k−ε Standard predice la
longitud del punto de readherencia con un error de entre 10 y 20%, por lo que se considera que el resultado es aceptable.
Figura 5.6.- Coordenadas de punto de readherencia obtenido en la simulación.
Figura 5.8.- Vórtice principal obtenido experimentalmente.
Figura 5.9.- Vórtice principal obtenido con simulación
CONCLUSIONES
Se realizó la medición de la caída de presión en un ducto rectangular con cambio de sección abrupto (expansión) para determinar el coeficiente de caída de presión y se visualizo el comportamiento del flujo con 3 métodos diferentes (humo, placa de hilo y keroseno–hollin) en la sección de expansión del ducto.
La medición de la caída de presión en un ducto rectangular provocada por el cambio de sección asimétrica en el ducto conduce a la obtención de un coeficiente de caída de presión que no depende de la velocidad a la cual circula el flujo sino de la relación de expansión que se presente en el ducto.
Con los resultados de medición de caída de presión se obtuvo una grafica con la que puede encontrarse el coeficiente de caída de presión por expansión asimétrica en ductos rectangulares.
La medición de caída de presión en los casos estudiados en este trabajo se realizó con la sonda de medición de presión designada como “Cruz de presión total” diseñada y fabricada en el LABINTHAP. La ventaja que se obtiene al utilizar esta sonda para realizar una medición de presión total promedio en una sección de un ducto es que se requiere menor cantidad tiempo que el requerido al utilizar un tubo de pitot, y por lo tanto se pueden realizar un mayor número de mediciones lo que permite obtener un porcentaje de error bajo en la medición.
Los perfiles de velocidad obtenidos tanto en la caracterización del ducto como el obtenido en la zona de pruebas sobre el escalón son aceptables debido tanto la campana de entrada como a las curvas de tercer grado.
El resultado obtenido para el punto de readherencia con el método de placa de hilos fue de 0.250m, lo que representa 5 veces la altura del escalón, mientras que resultados de otros autores como Eaton [24], S. Thangam [25] indican que el punto de readherencia se encuentra a 6 ó 7 veces la altura del escalón, lo que indica una diferencia en el resultado del 8 al 20%. Es posible que la diferencia se deba a que en los estudios realizados por estos autores en ductos con escalón la relación de aspecto utilizada generalmente es mayor a 10 y en este estudio se tiene una relación de aspecto de 4.
Los resultados de la visualización con humo y con el método de hilo muestran que el flujo después de la región de recirculación no es estable lo que provoca que exista una diferencia entre los perfiles de velocidad obtenidos experimental y numéricamente, al igual que la diferencia entre la medición del punto de readherencia con el método de visualización de placa de hilos y la simulación numérica; esto se debe principalmente a que en la simulación el flujo se considera estable.
en la pared inferior del ducto.
¾ Se recomienda realizar una visualización de flujo con el método de tabla con hilos para los casos en los cuales se tiene una relación de expansión de ¼ y ½ para conocer el valor del punto de readherencia.
¾ Realizar un estudio de simulación numérica para las relaciones de expansión de ½ y ¼ con una malla más fina para toda la geometría (malla de 1x1) para poder simular completamente el flujo después del punto de readherencia y validar estos resultados con los obtenidos experimentalmente para el valor de caída de presión.
¾ Realizar una simulación en 3 dimensiones que permita observar el comportamiento del flujo en la pared inferior del ducto así como el comportamiento de la turbulencia generada después del escalón para la relación de expansión de 3/4.
¾ Estas instalaciones pueden servir para estudiar el comportamiento del flujo de aire en ducto con nichos con la metodología de visualización keroseno – hollín para poder apreciar la influencia de un segundó escalón en la longitud del punto de readherencia del flujo.
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