Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de investigacin

 

Diseo de una metodologa para anlisis de flujo de una tubera de conduccin para riego

Design of a methodology for flow analysis of a pipe for irrigation

Projeto de metodologia para anlise de fluxo de tubulao condutora para irrigao

 

 

 

Paul Marcelo Tacle-Humanante I

[email protected] https://orcid.org/0000-0002-7850-6146

 

Cristofer Tacle-Humanante II

[email protected] https://orcid.org/0000-0002-9528-7686

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

*Recibido: 31 de agosto de 2021 *Aceptado: 30 de septiembre de 2021 * Publicado: 12 de octubre de 2021

 

        I.            Ingeniero, PhD en Ciencias, Docente de la Facultad de Recursos Naturales en la Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

      II.            Ingeniero Qumico, Magster en Qumica, Investigador independiente, Riobamba, Ecuador.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Resumen

El objetivo de este trabajo de investigacin es comprender el comportamiento del flujo del agua a travs de una tubera de transporte para riego de doble entrada, analizando la velocidad, presin y temperatura. La dinmica de fluidos computacional (CFD), es un enfoque til para resolver las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos, mediante mtodos numricos y tcnicas computacionales; esta rea de la mecnica de fluidos proporciona los fundamentos de la hidrulica de tuberas e hidrulica de canales. Se ha realizado un estudio del flujo a travs de la tubera de 12 m para transporte de riego para calcular velocidades, presiones y temperaturas. Se emplearon clculos mediante el uso del modelo K-psilon del software. Esta simulacin proporciona los valores de presin, velocidad mxima, presiones y temperaturas en la unin de los dos flujos de transporte dentro de la tubera. La velocidad de salida calculada es de 1, 67 m/s, en tanto que la velocidad mxima se da en la convergencia de flujos y tiene un valor de 2, 46 m/s, estos clculos permite generar una metodologa general para el anlisis de flujos en tres dimensiones como herramienta para la academia e investigacin.

Palabras claves: fluidos; ANSYS fluent; presin; velocidad; flujo.

 

Abstract

The objective of this research work is to understand the behavior of the water flow through a transport pipe for double entry irrigation, analyzing the speed, pressure and temperature. Computational fluid dynamics (CFD) is a useful approach to solve the equations that describe the movement of fluids, using numerical methods and computational techniques; this area of fluid mechanics provides the fundamentals of pipeline hydraulics and channel hydraulics. A study of the flow through the 12 m pipe for irrigation transport has been carried out to calculate speeds, pressures and temperatures. Calculations were used using the software's K-epsilon model. This simulation provides the values of pressure, maximum velocity, pressures and temperatures at the junction of the two transport flows within the pipeline. The calculated outlet velocity is 1.67 m / s, while the maximum velocity occurs in the convergence of flows and has a value of 2.46 m / s; these calculations allow generating a general methodology for the analysis of flows in three dimensions as a tool for academia and research.

Keywords: fluids; ANSYS fluid; Pressure; speed; flow.

 

Resumo

O objetivo deste trabalho de pesquisa compreender o comportamento do escoamento da gua atravs de um duto de transporte para irrigao de dupla entrada, analisando a velocidade, presso e temperatura. A dinmica de fluidos computacional (CFD) e uma abordagem til para resolver as equaes que descrevem o movimento dos fluidos, usando mtodos numricos e tcnicas computacionais; Esta rea da mecnica dos fluidos fornece os fundamentos da hidrulica de dutos e hidrulica de canal. Foi realizado um estudo da vazo da tubulao de 12 m para transporte de irrigao para clculo de velocidades, presses e temperaturas. Os clculos foram usados ​​usando o modelo K-epsilon do software. Esta simulao fornece os valores de presso, velocidade mxima, presses e temperaturas na juno dos dois fluxos de transporte dentro da tubulao. A velocidade de sada calculada de 1,67 m / s, enquanto a velocidade mxima ocorre na convergncia dos fluxos e tem um valor de 2,46 m / s, esses clculos permitem gerar uma metodologia geral para a anlise de fluxos em trs dimenses como ferramenta para academia e pesquisa.

Palavras-chave: fluidos; ANSYS fluente; Presso; Rapidez; fluxo.

 

Introduccin

El anlisis de fluidos computacional es de suma importancia en la actualidad nos permite obtener y estimar diferentes variables como velocidades, temperaturas, presiones, en diferentes componentes, esto nos permite validar procesos e investigaciones, acortando el tiempo y ahorrando diversos recursos computacionales, fsicos, econmicos y otros.

Es as, que desde tiempos antiguos el ser humano ha usado la ingeniera para llevar agua a lugares donde iba a ser usada, por ese motivo se vio en la necesidad de construir sistemas de riego para cultivar plantas que eran primordiales para su subsistencia. Es as que su economa estaba basada primordialmente en la agricultura por lo que aprender las tcnicas de distribucin del agua en regiones donde la lluvia no regaba correctamente los cultivos era de vital importancia. (Ferreyra, R., Sells Van, G., & Sells, I. 2019 citado en Rodrguez Urea, 2020)

Un sistema de riego es de fundamental trascendencia en la agricultura puesto que mediante diferentes mecanismos se logra desviar o captar agua de un cuerpo acufero con el propsito de aumentar el flujo de agua disponible para los cultivos agrcolas e incluso para intensificar el rendimiento de estos, lo cual es fundamental para mantener una produccin agrcola en pocas donde lluvias son inferiores a niveles normales o incluso en pocas de sequa.

La demanda hdrica para la agricultura, se refiere a la suma del volumen de agua requerido para riego por cada uno de los cultivos en una unidad de rea durante todo su perodo de crecimiento. La demanda de agua para riego para un cultivo en particular es estimada a partir de la demanda de agua para cultivos de referencia, restada de la precipitacin efectiva. En el ao 2010 la demanda de agua para riego en el Ecuador fue de 13.045 hm3, y para el ao 2025 esta demanda se estima en 16.796 hm3, es decir la demanda aumenta un 22.4% en 15 aos. (Subsecretaria de Riego y Drenaje, 2019)

La simulacin de dinmica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) es un instrumento que ayuda a analizar el tipo de comportamiento que puede tener un fluido en diferentes entornos en los que se mueven. Este software usa diferentes modelos para analizar diferentes perfiles como presin, velocidad, temperatura, viscosidad de los fluidos en estudios teniendo presente los distintos modelos que tienden a ajustarse a un fluido determinado. En el campo de la investigacin y desarrollo I&D este tipo de simulaciones ayudan a crear procesos dinmicos sin la necesidad de entrar a un laboratorio para realizar experimentaciones. (Galvis, 2018)

(Toapanta Ramos et al., 2018) da a comprender la conducta que presenta el flujo del agua a travs de la contraccin gradual de una tubera. Adems, menciona que mediante CFD se logra un enfoque til para solucionar las ecuaciones que representan a la dinmica de los fluidos. Pudo calcular las prdidas debido al cambio transversal del rea en una tubera mediante el estudio del flujo del fluido, es as como mediante esta simulacin determin valores de velocidad, presin y turbulencia cintica en diferentes secciones de la tubera donde el agua era el fluido.

Las lneas de energa de un fluido de agua deben ser definidas en un sistema de riego para evitar variantes de presin y velocidad que afectan en rendimiento del sistema. (Iiguez-Covarrubias et al., 2015) ha estudiado diferentes aforadores Venturi con CFD para validad con observaciones de laboratorio. La comparacin de los resultados experimentales y mediante CFD fueron altamente satisfactorios para los valores de velocidad media (1.53 m s-1), gasto (0.027 m3 s-1) y presin en el manmetro diferencial (15 cm de Hg). Una vez validado el modelo, se simularon ocho escenarios de operacin, con variacin de gasto desde 0.005 m3 s-1 hasta 0.040 m3 s-1, lo cual simplific el modelo de la relacin gasto-prdida de carga del Venturi.

Las simulaciones numricas en CFD mediante diferentes modelos y ecuaciones permiten predecir el flujo de un fluido. Es as que (Camargo et al., 2021) analiz los principales mtodos en base a la simulacin numrica y ecuaciones bsicas para predecir flujos, clculo de malla y criterios de correlacin de resultados. Adems, menciona que estas aplicaciones que son descritas brevemente expresan que mediante CFD una modelacin puede ser rpida, viable y precisa para el anlisis de caudal, tuberas, conexiones y accesorios en el proceso de riego.

(Zanca et al., 2019) menciona que la CFD y sus herramientas gana notabilidad, admitiendo la prediccin del comportamiento hidrulico de un fluido en diferentes situaciones. Adems, mediante las herramientas CFD evalu un sistema completo compuesto por tuberas y goteo el cual compar con los resultados de los catlogos del fabricante demostrando que el modelado en CFD fue exitoso.

De esta manera, el presente trabajo tiene como finalidad de analizar un fluido con dos entradas a diferentes temperaturas y su simulacin CFD para evaluar las velocidades de entrada y salida, presiones y temperatura del fluido a lo largo de la tubera de transporte destinada para el proceso de riego, como generar un aporte de una metodologa en tres dimensiones de anlisis para fluidos en volmenes finitos.(Tacle-Humanante et al., 2019).

 

Materiales y mtodos

En La dinmica de fluidos computacional o CFD, es el rea de conocimiento que trata sobre la simulacin numrica de fluidos, transferencia de calor, reacciones qumicas, combustin, Aero acstica. Las ecuaciones resueltas poseen cuatro trminos el trmino de tiempo, el trmino advectivo, el trmino difusivo y el trmino fuente. Para representar diferentes ecuaciones de conservacin se alteran slo tres componentes de la ecuacin: la variable Φ, el coeficiente de difusin Γ, y la fuente S (Equipe, 2016). El mtodo de volmenes finitos es el ms utilizado en dinmica de fluidos el cual intercambia el dominio continuo por uno discreto, donde un conjunto de volmenes de control es utilizado para representar el dominio original, segn se muestra en la figura 1.

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Dominio discretizado en pequeos volmenes

El mtodo consiste en discretizar una regin dividindola en pequeos volmenes de control. Se resuelve en cada uno de ellos las ecuaciones de conservacin discretizadas, es decir se resuelve una matriz algebraica en cada celda de forma iterativa., resolvindose simultneamente las ecuaciones de cantidad de movimiento y energa. Dividiendo el proceso en etapas tenemos las siguientes: Condiciones Iniciales y modelamiento del problema, pre-procesamiento, solucin y post-procesamiento. (Ver figura 2.)

 

Figura 2. Modulo Fluid Flow (Fluent) de CFD

 

La presente investigacin se realiza con la ayuda de mecnica computacional de fluidos CFD. El sistema (Prez Colas et al., 2020) evaluado en tres dimensiones est constituido por una tubera de dos entradas, dimetro 152 mm y longitud 12 m, para agua a 20 oC en las que se conocen las condiciones de diseo; la otra entrada tubera de 152 mm de dimetro y 3 m de longitud.

 

Primera Etapa Condiciones Iniciales:

Se analiza para las siguientes condiciones, segn se muestra en la tabla1.(Cueva, 2021)

 

Tabla 1. Condiciones del problema

Variables para analizar

 

Fluido de trabajo

Agua Lquida

Flujo

Laminar

Dimetro tubera 1

152 mm

Longitud tubera 1

12 m

Velocidad de entrada 1

0,5 m/s

Dimetro tubera 2

152 mm

Longitud tubera 2

3 m

Velocidad de entrada 2

1 m/s

 

 

Segunda Etapa Pre-procesamiento:

Una vez determinadas las condiciones iniciales del problema en tres dimensiones a solucionar para un flujo en una tubera con dos entradas, mediante el anlisis CFD, se debe seguir los siguientes pasos:

Abrir el programa Ansys Workbench

Seleccionar y abrir el mdulo Fluid Flow (Fluent), como se muestra en la figura 3

 

Figura 3. Modulo Fluid Flow (Fluent) de CFD

Luego dibujar la geometra de acuerdo a las especificaciones en un software Cad SolidWorks, (Tacle Humanante et al., 2019) se analiza una tubera con dos entradas, segn muestra la figura 4.

 

Figura 4. Modelado geomtrico de la tubera en SolidWorks

Ahora importamos la geometra generada de la tubera a ansys fluent. (Ver figura 5)

 

Figura 5. Modelado geomtrico de la tubera en SolidWorks importado a ansys.

 

El siguiente paso, se configura y se genera la malla para un valor de convergencia de 8 mm, y un refinamiento de 0.05 mm. (Ver figura 6.)

 

Figura 6. Mallado del volumen del fluido

 

 

Se selecciona en la tubera las reas de entrada, paredes y salida del flujo. (Ver figura 7.)

 

Figura 7. rea de entrada del flujo

 

 

Tercera Etapa Solucin:

Ahora establecemos condiciones de entrada y parmetros mediante el solver de Ansys Fluent. (Ver figura 8.)

Figura 8. Solver de ansys fluent

 

Se selecciona un modelo de k psilon y como fluido de trabajo agua lquida. (Ver figura 9.)

 

Figura 9. Modelo de anlisis

 

Luego se selecciona un nmero de iteraciones para convergencia y se inicia el clculo. (Ver figura 10.)

 

Figura 10. Iteraciones para calcular

 

El anlisis de este trabajo es similar a otros trabajos reportados en la literatura cientfica como (Toapanta et al., 2018) donde se analiza problemas de flujos incompresible con densidad constante.

 

Resultados y discusin

Cuarta Etapa Post-procesamiento:

Se inicia la simulacin de un fluido de trabajo (agua lquida) para dos entradas. La velocidad de entrada a la tubera 1 es de 0,5 m/s a 20oC y de 1 m/s. a 30 oC para la segunda tubera.

En la siguiente figura 11 se puede observar las velocidades del fluido en las paredes que tiene un valor de 0 m/s, debido al rozamiento.

 

 

 

 

Figura 11. Velocidades en las paredes de la tubera

 

Mediante este anlisis CFD para fluidos en la figura 12 se observa lneas de velocidades donde el comportamiento de la velocidad del fluido es mximo en la lnea media del eje hacia el centro, la velocidad mxima que se obtiene es de 2,46 m/s, debido a que se debe vencer la presin para que exista movimiento.

 

Figura 12. Lneas de Velocidades

 

La velocidad a la salida de la tubera es de 1,67 m/s, como se muestra en la figura 13.

 

Figura 13. Velocidad a la salida

 

Luego analizamos la presin de salida en el fluido real, es mayor entre la entrada y salida de esta, con un valor de 2,217 x 10+03 Pa, debido a que se debe vencer las fuerzas de resistencia para generar movimiento. (Ver figura 14.)

 

Figura 14. Cambios de presiones en el flujo

 

 

Luego analizamos la temperatura a la salida, y se puede observar que disminuye con un valor de 2,98 x 10+02 K, debido a la mezcla de los dos fluidos de transporte. (Ver figura 15.)

 

Figura 15. Cambios de temperatura

 

El anlisis de esta investigacin como los resultados son similares a los presentados por (Toapanta et al., 2018) donde se recalca que en un flujo la velocidad mxima ocurre en el centro del perfil de velocidades y la presin varia para generar movimiento venciendo las fuerzas de resistencia, donde ms presin y velocidades se producen es en la unin de los flujos.

 

Metodologa para anlisis de un flujo en 3D para tubera de dos entradas.

A partir de los procedimientos anteriores, se desarrolla la siguiente metodologa para anlisis de una tubera de transporte para riego de dos entradas en tres dimensiones (ver figura 16).

 

 

 

 

 

 

Figura 16. Metodologa para anlisis de fluidos en tres dimensiones

 

Conclusiones

La Se plantean las siguientes conclusiones:

         Se ejecut la simulacin numrica para el anlisis de flujo en 3D en una tubera para transporte de agua para riego con dos entradas, con 152 mm de dimetro. La modelacin se ejecut para un fluido con velocidad de entrada de 0,5 m/s.

         La velocidad mxima se da en el centro de la tubera y en la unin de los flujos con un valor de 2,46 m/s. La velocidad a la salida luego de recorrer 11 m, es de 1,67 m/s.

         La presin en el flujo vara en la unin y su valor es 6,84 x 10+02 P.a., debido a que se necesita generar movimiento.

         La temperatura disminuye con un valor de 2,98 x 10+02 K, debido a la mezcla de los dos fluidos de transporte.

         Se desarroll un procedimiento y metodologa para analizar fluidos en 3D, mediante CFD, como herramienta acadmica y de investigacin.

Referencias

1.      Camargo, A. P. de, Muniz, G. L., Cano, N. D., Ait-Mouheb, N., Tomas, S., Pereira, D. J. de S., Lavanholi, R., Frizzone, J. A., & Molle, B. (2021). Applications of computational fluid dynamics in irrigation engineering. Revista Cincia Agronmica, 51. https://doi.org/10.5935/1806-6690.20200097

2.      Cueva, I. (2021). Simulacin de flujo en una tubera en ANSYS Fluent. https://www.youtube.com/watch?v=IzhGf-Y_bz8

3.      Equipe, E. (2016). Dinmica de Fluidos Computacional: que es? https://www.esss.co/es/blog/dinamica-de-fluidos-computacional-que-es/

4.      Galvis, A. (2018). Modelamiento y simulacin de la formacin de hielo en tuberas usando CFD. 28.

5.      Iiguez-Covarrubias, M., Flores-Velazquez, J., Ojeda-Bustamante, W., Daz-Delgado, C., & Mercado-Escalante, R. (2015). Comparacin de resultados experimentales de un Venturi con simulacin de dinmica de fluidos computacional. Tecnologa y ciencias del agua, 6(4), 141-152.

6.      Perez Colas, M., Npoles Garca, M. F., & de la Cruz Aragoneses, M. de L. (2020). ESTUDIO DEL EFECTO DEL CALENTAMIENTO Y EL ENFRIAMIENTO DE LA BOTELLA DURANTE LA PASTEURIZACIN DE LA CERVEZA. Centro Azucar, 47, 32-41.

7.      Rodrguez Urea, B. (2020). Sistema de riego y captacin de agua para la produccin agrcola. http://www.agroecuador.org/index.php/blog-noticias/item/470-sistema-de-riego-y-captacion-de-agua-para-la-produccion-agricola

8.      Subsecretaria de Riego y Drenaje. (2019). PLAN NACIONAL DE RIEGO Y DRENAJE 20192027. 160.

9.      Tacle Humanante, P. M., Moya Rodrguez, J. L., & Marty Delgado, J. R. (2019). MODIFICACIONES DE LA MATRIZ DE CONTRADICCIONES PARA EL DISEO DE ENGRANAJES CILNDRICOS DE DIENTES RECTOS DE MATERIAL PLSTICO. Centro Azucar, 46, 86-96.

10.  Tacle-Humanante, P. M., Moya-Rodrguez, J. L., & Marty-Delgado, J. R. (2019). El ndice de Robustez como parmetro para evaluar el comportamiento de las transmisiones por engranajes cilndricos de dientes rectos. Ingeniera Mecnica, 22, 57-66.

11.  Toapanta Ramos, L. F., Bohrquez Peafiel, G. A., Caiza Vivas, L. E., Sarzosa, W. Q., Toapanta Ramos, L. F., Bohrquez Peafiel, G. A., Caiza Vivas, L. E., & Sarzosa, W. Q. (2018). Anlisis numrico de los perfiles de velocidad de un flujo de agua a travs de una tubera con reduccin gradual. Enfoque UTE, 9(3), 80-92. https://doi.org/10.29019/enfoqueute.v9n3.290

12.  Zanca, R. B., Silva, F. das G. B. da, Sant Anna, D. O., Silva, A. T. Y. L., Nova, H. F. V., Santos, I. F. dos, & Reis, J. A. T. dos. (2019). Modeling and hydraulic performance evaluation of a dripper device coupled to a branched water distribution network. Revista Ambiente & gua, 14. https://doi.org/10.4136/ambi-agua.2340

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2021 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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