Validacion de Un Modelo CFD para Analisis de Golpe de Ariete en Conductos Cerrados - Tesis Espol - 2012
Validacion de Un Modelo CFD para Analisis de Golpe de Ariete en Conductos Cerrados - Tesis Espol - 2012
Validacion de Un Modelo CFD para Analisis de Golpe de Ariete en Conductos Cerrados - Tesis Espol - 2012
TESIS DE GRADO
INGENIERO MECÁNICO
Presentada por:
GUAYAQUIL – ECUADOR
Año: 2012
AGRADECIMIENTO
modo contribuyeron a la
A GIANELLA POR SU
AMOR INCONDICIONAL Y A
INVALUABLE GUÍA.
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
_________________________ _________________________
_________________________
________________________
ondas de sobre y baja presión que viajan a lo largo de los conductos. Éste
hidroeléctricas.
reales específicos.
II
por el modelo, los cuales fueron comparados con una onda de golpe de
encuentran numerados.
III
ÍNDICE GENERAL
Pág.
RESUMEN…………………………………………………………………….. I
ABREVIATURAS……………………………………………………………... XIII
SIMBOLOGÍA……….………………………………………………………… XIV
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………... 1
CAPÍTULO 1
1. CONSIDERACIONES GENERALES……………………..…………………. 3
1.2. Objetivos………………………………………………………..…….....… 6
CAPITULO 2
2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………..………. 11
2.1. Introducción……………….……………………………………………... 11
cerrados……...………………………………………………………...… 28
CAPITULO 3
CAPITULO 4
CAPITULO 5
CAPITULO 6
APÉNDICES
BIBLIOGRAFÍA
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.1 Metodología de la tesis………..…………………………... 8
Figura 2.1 Incremento de presión debido a un cambio
instantáneo de la velocidad………..……………………… 14
Figura 2.2.a Propagación de la onda de presión en t + δ t ..………….. 22
Figura 2.2.b Propagación de la onda de presión en t = L / a …..…..… 22
Figura 2.2.c Propagación de la onda de presión en t = L / a + δt ..…… 23
Figura 2.2.d Propagación de la onda de presión en t = 2 L / a .………. 23
Figura 2.2.e Propagación de la onda de presión en t = 2 L / a + δt ..…. 24
Figura 2.2.f Propagación de la onda de presión en t = 3L / a ..…..….. 24
Figura 2.2.g Propagación de la onda de presión en t = 3L / a + δt .….. 25
Figura 2.2.h Propagación de la onda de presión en t = 4 L / a ..…..….. 25
Figura 2.3 Variación de la presión en un sistema sin pérdidas
por fricción debido al cierre instantáneo de una válvula.. 26
Figura 2.4 Conservación de la masa para flujo no permanente…... 29
Figura 2.5 Conservación de la cantidad de movimiento para flujo
no permanente……………………………………………… 33
Figura 2.6 Diagrama de Allievi para valores pequeños de ρ y θ …. 40
Figura 2.7 Diagrama de Allievi para valores intermedios de ρ y θ .. 41
Figura 2.8 Diagrama de Allievi para valores grandes de ρ y θ …… 42
Figura 2.9 Diagrama de Allievi-máxima caída de presión para
valores grandes de ρ y θ …………………………………. 43
Figura 2.10 Curva típica de turbina de flujo axial……………………... 44
Figura 2.11 Tubería de presión rota de central Oigawa, Japón…….. 49
Figura 2.12 Casa de máquinas destruida en central Soyano
Shushenskaya, Rusia……………………………………… 50
IX
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 2.1 Método de cartas de Allievi - datos para caso 46
Tabla 2.2 Modelos de turbulencia……………………………….…. 92
Tabla 2.3 Métodos para solución de sistemas de ecuaciones
lineales………………………………………………….…… 99
Tabla 3.1 Características de geometría del modelo……….…......... 117
Tabla 3.2 Valores de oblicuidad y calidad de elementos………..... 130
Tabla 3.3 Principales funciones matemáticas disponibles en
ANSYS CFX……………..………………………………..… 143
Tabla 4.1 Datos técnicos de equipo de análisis de golpes de
ariete……..…………………………………………….……. 195
Tabla 4.2 Notación de equipo de análisis de golpes de ariete…... 195
Tabla 5.1 Error del modelo CFD………..……………………………. 207
XIII
ABREVIATURAS
SIMBOLOGÍA
P Presión; Potencia
Pa Pascal, unidad de presión
Po Presión inicial de un sistema en estado estable
r Radio local
Q Caudal
R Radio de giro de masa rotante
Re Número de Reynolds
s Segundo, unidad de tiempo
t Tiempo
tc Tiempo de cierre de válvula
T Periodo de un flujo oscilatorio
Tm Tiempo de puesta en marcha mecánico de sistema hidráulico
Tw Tiempo de puesta en marcha de columna hidráulica
u Componente de velocidad en dirección “x”
v Componente de velocidad en dirección “y”
V Voltio
V Velocidad
Vo Velocidad inicial del fluido
w Componente de velocidad en dirección “z”
W Peso; Vatio
x, y , z Coordenadas cartesianas de un sistema
O
C Grado Centígrado, unidad de temperatura
0 Flujo másico
m
o Rata de calentamiento de un elemento
q
Δ Delta, variación
Δt Intervalo de tiempo; time step de resolución CFD
∀ Volumen
XVI
____________
1
Véase efectos de golpe de ariete en central hidroeléctrica Sayano
Shushenskayaenlink:“http://www.youtube.com/watch?v=yfZoq68x7lY”.
2
Uno de los principales aportes para el estudio de este fenómeno han sido los
experimentos que se realizaron para hoy en día tener un método sólido para
analizar este problema. Por ello en este estudio se busca validar un modelo
CAPÍTULO 1
1. CONSIDERACIONES GENERALES
fenómeno real, éste debe de estar bien planteado para que los resultados
______________
2
Para detalles del desarrollo histórico del CFD véase la referencia Nº1
ANDERSON JOHN D. JR.,Computational Fluid Dynamics.
4
cerrados.
presión.
5
considerar.
tiempo.
6
turbinas hidráulicas.
1.2. Objetivos
presiones.
7
conductos cerrados.
figura1.1.
8
conclusiones.
9
siguientes:
10
experimentales.
CAPÍTULO 2
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Introducción
El flujo transitorio es aquel en que las propiedades del fluido como
12
• Flujo inverso.
• Golpes de ariete.
la velocidad
13
abajo.
14
INSTANTÁNEO DE LA VELOCIDAD
15
→
( m V ) = ρ o (Vo + a )A[(Vo + ΔV + a ) − (Vo + a )]
d
dt
→
(2.1.1)
d
( m V ) = ρ o (Vo + a ) AΔV
dt
F = Po A − ( Po + ΔP ) A
(2.1.2)
F = − ΔPA
ΔP = − ρ o aΔV (2.1.4)
Considerando que
16
P = ρgH (2.1.5)
como
a
ΔH = − ΔV (2.1.6)
g
a
ΔH = ΔV (2.1.7)
g
respectivamente.
o
m ent = ρ o A(V o + a ) (2.1.8)
o
m sal = ( ρ o + Δρ ) A(V o + ΔV + a ) (2.1.9)
17
densidad del fluido, pero éste puede ignorarse por ser muy
salida es igual.
Δρ
ΔV = − (Vo + ΔV + a ) (2.1.10)
ρo
Δρ
ΔV = − a (2.1.11)
ρo
como:
ΔP
Ev = (2.1.12)
Δρ / ρ o
siguiente expresión
ΔV
a = − Ev (2.1.13)
ΔP
ecuación (2.1.13) a
Ev
a= (2.1.14)
aρ o
18
Ev
a= (2.1.15)
ρo
se ve modificada a
Ev
a= (2.1.16)
ρ o [1 + (E v D / eE )]
del conducto.
19
20
21
22
23
24
25
26
continuación:
7650 m , 50 mm ;
305 m , 101.5 mm ; y
305 m , 152.5 mm
27
2L
T≤
a
28
cerrados
• La conservación de la masa.
• La conservación de la energía.
ecuaciones integrales.
discretizado.
29
adiabático.
2.2.1. Consideraciones
iv. Las formulas para calcular las pérdidas por fricción en flujo
PERMANENTE
30
los siguientes:
⎛ ∂V ⎞ 2
∀ salida = ⎜ V + δx ⎟πr δt (2.2.2)
⎝ ∂x ⎠
volumen en δt es
∂V
δ∀entrada = ∀entrada − ∀salida = − δxδtπr 2 (2.2.3)
∂x
∂P
expresar como δt y se considera al cambio de volumen
∂t
3
Además el esfuerzo radial “ σ ” en el conducto debido a la
pr
σ = (2.2.4); “ e ” es el espesor de pared del conducto
e
r ∂p r
δσ = δp = δt (2.2.5)
e ∂t e
______________
3
Véase SINGER, Mecánica de Sólidos, Esfuerzos en cilindros de paredes
delgadas, para una deducción completa del esfuerzo radial debido a una
presión interna.
31
r + δr , es δε = δr / r (2.2.6)
δσ
E= (2.2.7)
δε
⎛ ∂p ⎞ r
⎜ ⎟δt
∂t
E=⎝ ⎠
e
(2.2.8)
δr
r
∂p r 2
δr = δt (2.2.9)
∂t eE
∂p r 3
δ∀r = 2π δtδx (2.2.11)
∂t eE
∀ = πr 2δx (2.2.12)
− δp
Por definición el módulo volumétrico es E v = (2.2.13)
δ∀ c / ∀
32
− ∂p δt 2
δ∀ c = πr δ x (2.2.14)
∂t E v
∂V ∂p δt 2 ∂p r 3
− δxδtπr 2 − πr δx = 2π δtδx (2.2.16)
∂x ∂t Ev ∂t eE
∂V ∂p 1 2 r ∂p
− − = (2.2.17)
∂x ∂t E v eE ∂t
∂V ∂p ⎛ 2r 1 ⎞
+ ⎜⎜ + ⎟=0 (2.2.18)
∂x ∂t ⎝ eE E v ⎟⎠
elasticidad de la tubería:
Ev
a2 = (2.2.19)
⎛ KD ⎞
ρ ⎜1 + ⎟
⎝ eE ⎠
a 2 ∂Q ∂H
+ =0 (2.2.20)
gA ∂x ∂t
33
Transients
34
F1 = γA( H − z ) (2.2.21)
∂H
F2 = γA( H − z + δx) (2.2.22)
∂x
4
Si se usa la formula de Darcy Weisbach para el cálculo de
γ fV 2
S= πDδx (2.2.23)
g 8
Entonces,
F = F1 − F2 − S (2.2.24)
⎛ ∂H ⎞ γ fV 2
F = γA( H − z ) − γA⎜ H − z + δx ⎟ − πDδx
⎝ ∂x ⎠ g 8
∂H γ fV 2
F = −γA δx − πDδx (2.2.25)
∂x g 8
dV
F =m (2.2.26)
dt
γ
Y considerando que: m = ρAδx = Aδx (2.2.27)
g
______________
4
Véase la referencia N°8, STREETER, V. L., Fluid Mechanics, Third Edition,
McGraw Hill, New York, 1966, para una deducción completa.
35
∂H γ fV 2 γ dV
− γA δx − πDδx = Aδx (2.2.28)
∂x g 8 g dt
∂H fV 2 1 dV
− − =
∂x g 2 D g dt
dV ∂H fV 2
= − g. − (2.2.29)
dt ∂x 2D
es:
dV ∂V ∂V dx
= +
dt ∂t ∂x dt
∂V ∂V
= +V (2.2.30)
∂t ∂x
se tiene:
∂V ∂V ∂H fV 2
+V +g + =0
∂t ∂x ∂x 2D (2.2.31)
36
∂Q ∂H f
+ + gA + QQ = 0 (2.2.32)
∂t ∂x 2 DA
movimiento respectivamente.
a 2 ∂Q ∂H
+ =0 (2.2.20)
gA ∂x ∂t
∂Q ∂H f
+ + gA + QQ = 0 (2.2.32)
∂t ∂x 2 DA
37
______________
5
Para una explicación completa de los sistemas de ecuaciones cuasi
lineales véase la referencia Nº1 ANDERSON JOHN D. JR., Computational
Fluid Dynamics.
38
tiempo.
aV o
ρ= (2.3.1)
2 gH o
______________
6
Lorenzo Allievi (Noviembre 18, 1856 – Octubre 30, 1941) ingeniero italiano
reconocido por sus estudios acerca de golpes de ariete.
39
Donde
aT
θ= (2.3.2)
2L
Donde
respectivamente.
40
41
Applied Hydraulics.
42
Applied Hydraulics
43
Applied Hydraulics.
44
45
46
TABLA 2.1
usar el diagrama:
aT (1.339m / s )(0,1s )
θ= = = 1,097
2L 2(61m)
47
un Z 2 = 8 .
Donde
H o + Δh max
Z2 =
Ho
Y por tanto
experimentalmente en el capítulo 4.
48
2.4.1 Introducción
49
50
51
básicos:
• Turbinas de Impulso.
• Turbinas de reacción.
52
53
54
55
56
57
58
______________
7
MUNSON BRUCE R., YOUNG DONALD F., OKIISHI THEODORE H.,
Fundamentos de Mecánica de Fluidos
59
hidroeléctricas
de carga.
i. La aceptación de carga.
i. El arranque de la unidad.
60
• La turbina y generador
• El gobernador de velocidad
Conductos o tubería
61
longitud.
Turbina y Generador
62
63
Gobernador de Velocidad
control:
64
• Proporcional
• Acelerómetro
frecuencia.
65
factores como:
• El tipo de carga
fluye el agua, y
siguientes:
66
Q L
Tw =
gH
∑A (2.4.1)
LVo
Si las áreas son iguales, entonces Tw = (2.4.2)
gH
Donde
sincrónica de operación.
[ ]
Si el momento de inercia polar WR 2 esta dado en kg.m 2 y la
potencia P en [MW ]
WR 2 .Nr 2
Tm = (2.4.3)
90.4 x106.P
[ ]
Si el momento de inercia polar WR 2 esta dado en lb. ft 2 y la
potencia P en [HP ]
67
WR 2 .Nr 2
Tm = (2.4.4)
1.6 x106.P
Donde
turbinas Pelton.
68
(aproximadamente 1,5 s ).
69
2.5.1 Introducción
celeridad de la onda.
separación de columna.
70
71
• Chimeneas de equilibrio.
• Válvulas de alivio.
disipando su energía.
72
sismos.
73
CUMBAYA. Fuente: Informe del Ing. Jorge Arancibia para Salomón Smith
Barney.
74
75
76
77
2.6.3 Válvulas
78
i. Válvulas de seguridad.
79
• La conservación de la masa.
• La conservación de la energía.
conservación de la energía.
80
de corriente.
de la forma NO CONSERVATIVA.
81
Derivada sustancial
de un punto a otro.
82
se define como:
D( ) ∂( ) ∂( ) ∂( ) ∂( )
= +u +υ +ω (2.7.1)
Dt ∂t ∂x ∂y ∂z
fluido es:
→ ∧ ∧ ∧
V = u i + υ j+ ω k (2.7.2)
El divergente de la velocidad
⎛ ∧ ⎞⎛ ∧⎞
→ → →
⎜∂ ∂ ∧ ∂ ∧⎟⎜ ∧ ∧
⎟
div V = ∇ .V = ⎜ i + j + k ⎟.⎜ u i + υ j + ω k ⎟
⎜ ∂x ∂y ∂z ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠
→ → ∂u ∂υ ∂ω
∇ .V = + + (2.7.3)
∂x ∂y ∂z
→ → 1 D(∀)
∇ .V =
∀ Dt
83
flujo.
→ → ∂
∫ ∫ ρ.d V d S + ∂t ∫ ∫ ∫ ρd∀ = 0
S ∀
(2.7.5)
D
Dt ∫ ∫ ∀∫
ρ d∀ = 0 (2.7.6)
84
∂ρ → ⎛ → ⎞
+ ∇ .⎜ ρ V ⎟ = 0 (2.7.7)
∂t ⎝ ⎠
FIJO EN EL ESPACIO
85
conservativa”.
Dρ ⎛→ → ⎞
+ ρ ⎜ ∇.V ⎟ = 0 (2.7.8)
Dt ⎝ ⎠
siguientes ecuaciones:
Du ∂P ∂τ xx ∂τ yx ∂τ zx
ρ =− + + + + ρ. f x (2.7.8.a)
Dt ∂x ∂x ∂y ∂z
Dυ ∂P ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy
ρ =− + + + + ρ. f y (2.7.8.b)
Dt ∂y ∂x ∂y ∂z
Dω ∂P ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz
ρ =− + + + + ρ. f z (2.7.8.c)
Dt ∂z ∂x ∂y ∂z
86
∂( ρu ) → → ∂P ∂τ xx ∂τ yx ∂τ zx
+ ∇ .( ρu V ) = − + + + + ρ. f x
∂t ∂x ∂x ∂y ∂z
(2.7.9.a)
∂( ρυ ) → → ∂P ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy
+ ∇ .( ρυ V ) = − + + + + ρ. f y
∂t ∂y ∂x ∂y ∂z
(2.7.9.b)
∂( ρω ) → → ∂P ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz
+ ∇ .( ρω V ) = − + + + + ρ. f z
∂t ∂z ∂x ∂y ∂z
(2.7.9.c)
87
cuerpo y de superficie.
expresión (2.7.10)
D(e + V 2 / 2) o ∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂ ⎛ ∂T ⎞
ρ = e q+ ⎜ k ⎟ + ⎜k ⎟ + ⎜k ⎟−
Dt ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎜⎝ ∂y ⎟⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠
⎡ ∂ (uP) ∂ (υP) ∂ (ωP) ⎤ ∂ (uτ xx ) ∂ (uτ yx ) ∂ (uτ zx )
⎢ + + ⎥+ + + +
⎣ ∂x ∂y ∂z ⎦ ∂x ∂y ∂z
∂ (υτ xx ) ∂ (υτ yx ) ∂ (υτ zx ) ∂ (ωτ xx ) ∂ (ωτ yx ) ∂ (ωτ zx )
+ + + + + +
∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z
→→
ρ fV
(2.7.10)
o
energía, donde “ q ” es la rata de calentamiento del
88
diferenciales.
de la solución.
89
∂ (U ) ∂ (F ) ∂ (G ) ∂ (H )
+ + + =J (2.7.4)
∂t ∂x ∂y ∂z
⎧ ρ
⎪ ρu
⎪
⎪ ρv
U =⎨
⎪ ρw
⎪ ⎛ V2 ⎞
⎪ ρ ⎜⎜ e + ⎟
⎩ ⎝ 2 ⎟⎠
90
⎧ ρu
⎪ ρu + P − τ xx
2
⎪
⎪⎪ ρuv − τ xy
F =⎨
⎪ ρuw − τ xy
⎪ ⎛ V ⎞ 2
∂T
⎪ ρ ⎜⎜ e + ⎟⎟u + Pu − h − uτ xx − vτ xy − wτ xz
⎩⎪ ⎝ 2 ⎠ ∂x
⎧ ρv
⎪ ρuv − τ yx
⎪
⎪⎪ ρv 2 + P − τ yy
G=⎨
⎪ ρvw − τ yz
⎪ ⎛ V2 ⎞ ∂T
⎪ ρ ⎜⎜ e + ⎟⎟v + Pv − k − uτ yx − vτ yy − wτ yz
⎪⎩ ⎝ 2 ⎠ ∂y
⎧ ρw
⎪ ρuw − τ zx
⎪
⎪ ρvw − τ zy
H =⎨
⎪ ρw 2 + P − τ zz
⎪ ⎛ V2 ⎞ ∂T
⎪ ρ ⎜⎜ e + ⎟⎟ w + Pw − k − uτ zx − vτ zy − wτ zz
⎩ ⎝ 2 ⎠ ∂z
⎧ 0
⎪ ρf x
⎪
⎪ ρf y
J =⎨
⎪ ρf z
⎪
⎪⎩ ρ (uf x + vf y + wf z ) + ρ g
o
Solución”.
91
estadístico y semi-empíricos.
92
TABLA 2.2
Modelos de turbulencia
Cebeci-Smith
Algebraicos
Baldwin-Lomax
Prandtl
Modelos de una ecuación
Spalart-Almaras
K-Epsilon
Modelos de dos ecuación
K-w
Esfuerzos de Reynolds RMS
Simulaciones numéricas directas DNS
Large Eddy Simulations LES
Detached Eddy Simulations DES
93
Discretización
94
puntos discretos.
95
malla.
geometrías complejas.
96
97
problemas no lineales.
• Lineales
• No Lineales
98
Sistemas lineales.-
siguiente forma:
[A]{x} = {B}
99
TABLA 2.3
Sistemas no lineales.-
a continuación:
100
• Método de Newton.
• Método Cuasi-Newton.
el dominio.
i. Malla estructurada.
101
malla regular.
Mallado estructurado.-
Mallado no estructurado.-
102
103
Mallado híbrido.-
104
GPL, BSD.
• ADFC -- ADFC
• CFD2k -- CFD2k
• Channelflow -- Channelflow
• CLAWPACK -- CLAWPACK
• Code_Saturne -- Code_Saturne
• COOLFluiD -- COOLFluiD
105
• Dolfyn -- dolfyn
• Edge -- Edge
• ELMER -- ELMER
• FDS -- FDS
• Featflow -- Featflow
• Femwater -- Femwater
• FreeFEM -- FreeFEM
• iNavier -- iNavierSolver
• ISAAC -- ISAAC
• Kicksey-Winsey -- Kicksey-Winsey
• MFIX -- Computationalmultiphaseflow
• NaSt2D-2.0 -- NaSt2D-2.0
• NEK5000 -- NEK5000
• NSC2KE -- NSC2KE
• NUWTUN -- NUWTUN
• OpenFlower -- OpenFlower
• OpenFOAM -- OpenFOAM
• OpenLB -- OpenLB
106
• OpenFVM -- OpenFVM
• PETSc-FEM -- PETSc-FEM
• PP3D -- parpp3d++
• REEF3D -- REEF3D
• SLFCFD -- SLFCFD
• Tochnog -- Tochnog
• Typhonsolver -- Typhonsolver
permanentes.
• EasyCFD -- EasyCFD
• ADINA-F -- ADINA's
• ANSWER -- ACRi's
• CFD++ -- MetacompTechonlogies
• CFD2000 -- AdaptiveResearch
107
• CFdesign -- CFdesign
• CFX -- ANSYS
• Coolit -- DaatResearch'sCoolit
• CoolitPCB -- DaatResearch'sCoolit
• DQMoM -- CMCLinnovations
• FENSAP-ICE -- NTI
• FINE/Hexa -- Numeca
• FINE/Turbo -- Numeca
• FIRE -- AVL
• FLACS -- GexCon
• FloEFD -- Mentor'sFloEFD
• FloTHERM-- Mentor'sFloTHERM
• FloVENT-- Mentor'sFloVENT
• FLOW-3D -- FlowScience
• FLOWVISION -- FlowVision
• FLUENT -- ANSYS
• FLUIDYN -- Fluidyn
• FluSol -- FluSol
• Flowz--Zeus Numerix
• GASP-- AeroSoft
108
• J-FLO -- NTI's
• KIVA--Los AlamosNationalLaboratory
• NX AdvancedFlow -- MAYA
• NX Flow -- MAYA
• PHOENICS -- CHAM
• PowerFLOW -- ExaPowerFLOW
• PumpLinx – SimericsInc
• RheoChart -- RheoChart
• STALLION 3D -- HanleyInnovations
• STAR -- CD-adapco
• Tdyn -- CompassI
• TMG-Flow -- MAYA
• Turb'Flow -- Fluorem
• TURBOcfd -- TURBOcfdadvanceddesigntechnology
109
capaz de modelar:
• Gravedad.
• Flujos no-Newtonianos
• Flujo multifase.
• Combustión.
• Partículas dispersas.
CAPÍTULO 3
3. ANÁLISIS CFD
deben tenerse en cuenta al usar las herramientas que este método ofrece
111
referencia en el capítulo 4.
a emplear.
112
113
1
114
1
115
FIGURA
A 3.2 GEOM
METRÍA RE
EPRESENT
TADA EN ANSYS-GE
EOMETRY
1
116
FIGURA
A 3.3 VISTA
A ISOMÉTR
RICA DEL MODELO
117
TABLA 3.1
Propiedad Detalle
Volumen 7,6349 e -3 m3
Área de superficie 2,406 m2
Número de caras 3
Número de líneas 2
3.3 Mallado
118
o Automático (Automatic).
o Tetraédrico (Tetrahedrons).
o Barrido (Sweep).
esta tesis.
119
de caras.
pequeño.
120
3.3.2 Mallado
121
1
122
123
valor se usa “ Dx ”.
1
124
FIGURA 3.6
6 GEOMET
TRÍA MALLA
ADA – VIST
TA GENER
RAL
1
125
FIG
GURA 3.7 GEOMETRÍÍA MALLAD
DA – VISTA
A DE DETALLES
1
126
FIGUR
RA 3.8 GEO
OMETRÍA MALLADA – DETALLE
E DE ELEM
MENTOS
127
128
un cubo perfecto.
o Área
o Relación de aspecto
o Relación de lados
o Relación de diagonales
o Asimetría angular
o Asimetría de tamaño
o Estiramiento
o Cambio de tamaño
o Conicidad
129
Y OBLICUOS
130
coplanares.
TABLA 3.2
1 Degenerado
0.9 — <1 Muy malo
0.75 — 0.9 Pobre
0.5 — 0.75 Regular
0.25 — 0.5 Bueno
>0 — 0.25 Excelente
0 Equilátero perfecto
131
triángulos y tetraedros).
se define como:
(3.3.1)
⎡θmáx. − θe θe − θ min . ⎤
oblicuidad = mayor .valor ⎢ , ⎥ (3.3.2)
⎣ 180 − θe θe ⎦
Donde
132
133
el valor de 0,5
134
135
1
136
FIG
GURA 3.14 ELEMENTOS CON OBLICUIDA
AD< 0,1(mejjores)
1
137
FIG
GURA 3.15 ELEMENT
TOS CON OBLICUIDA
AD>0,5 y <0
0,6 (peoress)
138
suscitan:
139
GEOMETRÍA
3.4.1 Entrada
140
entra el fluido.
(100.000 Pa ).
3.4.2 Salida
141
Datos:
Desarrollo:
A=π
D2
=π
(0,0127 m ) = 1,267 x10 −4 m 2
2
4 4
( )( )
m o = Vo * A * ρ o = (0,52m / s ) 1,267 x10 − 4 m 2 997 kg / m 3 = 0,06567 kg / s
o
142
disponibles en el programa.
⎧ 0; x < 0
⎪
step(x ) = ⎨0,5; x = 0 (3.4.1)
⎪ 1; x > 0
⎩
siguiente:
⎛ o ⎞ ⎛ o ⎞
⎜ − mo * t ⎟ ⎜ mo * t o ⎟
m(t ) = m 0 + step(t ) * ⎜
o o
+ step (t − t ) * − m ⎟⎟ (3.4.2)
⎜ t c ⎟⎟ ⎜⎜ t
c o
⎝ ⎠ ⎝ c
⎠
143
EL ANSYS CFX
salida.
144
3.4.3 Pared
145
fluido agua.
o
estable con un flujo másico inicial m o = 0,6567 kg / s , de esta manera
146
inmediatamente.
______________
8
El programa ANSYS-CFX considera por defecto la densidad de los líquidos
como constantes.
147
148
consiguiendo la solución.
149
I turb = 0.16(Re)−1 / 8
−1 / 8
⎛ ρVD ⎞
I turb = 0.16⎜⎜ ⎟⎟
⎝ μ ⎠
I turb = 0.16⎜⎜
( )
⎛ 997kg / m 3 (0,52m / s )(0,0127m) ⎞
⎟⎟
−1 / 8
⎝ 8,998x10 −4 Ns / m 2 ⎠
I turb = 0,0526
150
151
(Intensidad = 5%)”.
152
153
siguientes gráficos:
154
155
156
157
capítulo 4.
158
2.151’164.271 Pa .
dP
Ev = − (3.7.1)
d∀ / ∀
dP
Ev = (3.7.2)
dρ / ρo
159
forma:
ρo
ρ ( P) = (3.7.3)
⎛ P − Po ⎞
1 − ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Ev ⎠
160
SIMULACIÓN TRANSIENTE
161
un proceso de iteraciones.
______________
9
Véase la referencia N°7, SODJA J., Turbulence Models in CFD, para una
explicación completa de los modelos de turbulencia.
162
• k − Epsilon
disponibles en el programa.
disipación ε.
la expresión (3.7.4)
∂ (ρk ) ∂ (ρku i ) ∂ ⎡⎛ μt ⎞ ∂k ⎤
+ = ⎢⎜⎜ μ + ⎟⎟ ⎥ + G k + Gb − ρε − Ym + S k
∂t ∂xi ∂x j ⎢⎣⎝ σk ⎠ ∂x j ⎥⎦
(3.7.4)
163
Donde
t : tiempo.
gradientes de velocidad.
fuerzas de flotación.
compresibilidad.
∂ (ρε ) ∂ (ρεu i ) ∂ ⎡⎛ μt ⎞ ∂ε ⎤ ε ε2
+ = ⎢⎜⎜ μ + ⎟⎟ ⎥ + C1ε (G k + C 3ε Gb ) − C 2ε ρ + Sε
∂t ∂xi ∂x j ⎣⎢⎝ σε ⎠ ∂x j ⎦⎥ k k
(3.7.5)
Donde
C1ε , C 2ε , C 3ε : constantes.
164
ecuación:
k2
μ t = ρC μ (3.7.6)
ε
C1ε =1,44
C2ε =1,92
Cμ = 0,09
σk =1,0
σε =1,3
165
166
de la simulación estable.
167
siguientes opciones:
• Tiempo total.
L = 61m
a = 1339 m / s
4L 4(61m )
T= = = 0,182 s
a 1330 m / s
168
Δt
CFL = (3.7.7)
Dx / u
169
Donde,
Δt , Intervalo de tiempo
Dx , Intervalo de espacio
u, es la velocidad
igual a 1339.m / s .
______________
10
La condición CFL se llama así en honor a Richard Courant, Kurt Friedrich y
Hans Lewy que la describieron en un artículo en 1928.
170
Δt
CFL =
Dx / u
CFL * Dx
Δt =
u
10 * 0.00127m
Δt = = 9.5 x10 −6 s
1339m / s
Δt ≈ 1.0 x10 −5 s
171
172
φ n +1 = φ n + φ ' (3.7.9)
Aφ ' = r n (3.7.10)
r n = b − Aφ n (3.7.11)
la sección 3.8.2.
173
174
______________
11
El residual es una medida del desbalance local de una ecuación
conservativa en cada volumen de control. Ésta es la forma más importante
de medir la convergencia de las ecuaciones, durante el proceso iterativo de
solución.
175
conducto.
176
177
178
la válvula.
179
perturbación de la presión.
tiempo.
180
______________
12
Véase el video de la simulación transitoria del golpe de ariete en un
conducto cerrado en: “http://youtu.be/MlaKgX4sPVs”.
181
182
183
184
185
CAPÍTULO 4
4 MEDICIONES EXPERIMENTALES
4.1.1 Introducción
187
de una válvula.
188
4.1.3 Metodología
• Fuente de agua
189
• Electroválvula
• Osciloscopio
190
resultados.
ρo = 999kg / m 3
E v = 2.15 x10 9 Pa
E = 115 x10 9 Pa
D = 12.7 mm
e = 1.19mm
191
Ev
a=
ρo[1 + (E v D / eE )]
a = 1339m / s
192
válvula solenoide.
de presión.
193
Para operar el equipo, éste incluye una caja de control como se muestra en
194
195
TABLA 4.1
TABLA 4.2
Longitud de la tubería L m
Sección transversal A m2
Espesor de pared de la tubería e m
196
197
198
CAPÍTULO 5
instantáneo de la válvula.
200
201
en la siguiente sección.
presión, la cual es
4L 4(61m)
a= = = 1340m / s
T 0,182s
202
EXPERIMENTALES
203
204
-600.000 Pa .
205
206
207
de ariete.
TABLA 5.1
Periodo de la onda de
0,1820 s 0,1892 s 3,96%
golpe de ariete
CAPÍTULO 6
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones.
209
210
6.2 Recomendaciones
inmediatamente.
211
APÉNDICE A
TABLA A.1
TABLA A.2
(ºC) (kg / m ) 3
(kN /m 3
) (N . s / m )
2
(m 2
/s ) (N / m )abs
2
(m / s )
0 999,9 9,806 1,787E-03 1,787E-06 6,105E+02 1403
5 1000 9,807 1,519E-03 1,519E-06 8,722E+02 1427
10 999,7 9,804 1,307E-03 1,307E-06 1,228E+03 1447
20 998,2 9,789 1,002E-03 1,004E-06 2,338E+03 1481
25 997,0 9,777 8,999E-04 9,025E-07 3,291E+03 1494
30 995,7 9,765 7,975E-04 8,009E-07 4,243E+03 1507
40 992,2 9,731 6,529E-04 6,580E-07 7,376E+03 1526
50 988,1 9,690 5,468E-04 5,534E-07 1,233E+04 1541
60 983,2 9,642 4,665E-04 4,745E-07 1,992E+04 1552
70 977,8 9,589 4,042E-04 4,134E-07 3,116E+04 1555
80 971,8 9,530 3,547E-04 3,650E-07 4,734E+04 1555
90 965,3 9,467 3,147E-04 3,260E-07 7,010E+04 1550
100 958,4 9,399 8,180E-04 2,940E-07 1,013E+05 1543
La densidad, viscosidad dinámica, viscosidad cinética y presión de vapor fueron tomados
del Handbook of Chemistry and Physics, 69 ava edición, CRC Press, 1988.
La velocidad del sonido de R. D. Blevins, Applied Fluid Dynamics Handbook, Van Nostrand Reinhold Co., Inc., New York, 1984.
Para esta tabla el peso específico se calculó en base a g = 9,807 m/s2
APÉNDICE B
TABLA B.1
APÉNDICE C
Equipo generador de golpes de ariete
Marca: PLINT & PARTNERS
Modelo: TE.86/D
Serie: TE.86/4185
PRESUPUESTO
Válvula solenoide OMEGA SV133, 10W, 120 Vac, 60Hz
1 1 145,00
cuerpo acero inoxidable, conector 1/4 NPT, Tc 4‐15ms
Manómetro de dial OMEGA PGC‐25L‐160
1 1 25,00
rango 0‐160 Psi, conector 1/4 NPT
Transductor de presión estática OMEGA PX209‐200AI
1 1 235,00
rango 0‐200 Psia, salida 4‐20 mA, excitación 7‐35 Vdc
Fuente DC SL SILVER SLS‐24‐012T de 24Vdc, 1.2Amp
1 1 94,30
4.85W
1 Accesorios varios
1 50,00
TOTAL 549,30
2-WAY GENERAL PURPOSE
SOLENOID VALVES
DIRECT ACTING, NORMALLY OPEN, STAINLESS STEEL VALVE BODY
SV130 Series through the valve. When current
flows through the coil, a magnetic
field is produced and it turns the
stop into an electromagnet that
All Models attracts the magnetic plunger.
$
145
This action compresses the return
spring and brings the plunger
against the orifice to prevent
flow through the valve.
SPECIFICATIONS
Wetted Parts: Stainless steel,
copper and seal
Medium: Liquid or gases
Max Static Pressure:
Stainless Steel Valve 1.5 times max psid,
vacuum (>5 microns ABS)
Body Resists Corrosion Ambient Temp: -9 to 50°C (15 to 122°F)
Rugged NEMA 4 (IP65) Mounting: Pipe mounting, any direction
Housing Power: 10 W, 120 Vac coils, 50 to 60 Hz SV133, $145,
shown smaller
Mounts in Any Position Weight: 500 g (1.1 lb) than actual size.
Rated for Continuous Duty
Dimensions: mm (in)
TYPICAL APPLICATIONS
70.1
Automation (2.76)
49.5 3
Humidifiers (1.95) # 10-32 NF TH’D
Water Treatment x 0.25 DP - 2 PLCs 11.2
(0.44)
41.1
Dispensing 97.0 (3.82) (1/4) (1.62) 22.4
L-28
HOW TO ORDER COMMERCIAL
GRADE GAUGES
PRESSURE
GAUGES
Standard Case
The high reliability of the OMEGA®
commercial gauge line is chiefly
G
attributable to the unique OMEGA®
spring-suspended movement. The
entire movement is suspended
between 2 springs, the Bourdon
tube above and the link below.
Wearing parts have been reduced
to a minimum. Movement parts
are ultrasonically cleaned and
lubricated with silicone oil to ensure
long cycle life. The OMEGA® spring- PGC Series, starts at $22,
suspended movement is largely shown smaller than actual size.
resistant to shock, pulsation, and
vibration. The result is longer gauge
A B
life. The numerous applications for
OMEGA® commercial gauges
include installation on pumps, K
portable compressors, industrial
machinery, hydraulic and pneumatic
C
systems, instrumentation, and
pressurized vessels.
W
SQ. FLATS
G
W W
SPECIFICATIONS M
Temperature: 66°C (150°F) max F
Case: Painted steel NPT
Style L H
Style B
Window: Polycarbonate plastic
Bourdon Tube: Bronze
Connection: Brass 1⁄4 NPT Dimensions: mm (in)
Ranges: Vacuum to 600 psi DIAL A B C F G H K M W WT.
Accuracy: 3-2-3% (3% over first and SIZE LOWER BACK NPT (OZ)
last 10% of range, 2% over remainder)
50.8 53 27 26 54 ⁄4
1 47 10 22 20 14 41⁄2
(2) (27⁄64) (13⁄64) (11⁄32) (27⁄64) (127⁄32) (3⁄8) (7⁄8) (25⁄32) (9⁄16)
63.5 69 29 29 68 ⁄4
1 55 10 22 20 14 6
STANDARD RANGES (21⁄2) (223⁄32) (11⁄8) (11⁄8) (211⁄16) (25⁄32) (3⁄8) (7⁄8) (25⁄32) (9⁄16)
RANGE
CODE RANGE
AVAILABLE FOR FAST DELIVERY!
30V 30/0 inHg vac
DIAL SIZE MODEL NO. CONNECTION PRICE
30V/15 30 inHg vac to 15 psi
PGC-20L-[*] Lower $22
30V/30 30 inHg vac to 30 psi 2" PGC-20B-[*] Back 25
30V/100 30 inHg vac to 100 psi
PGC-25L-[*] Lower 25
15 0 to 15 psi 21⁄2" PGC-25B-[*] Back 27
30 0 to 30 psi
60 0 to 60 psi [*] Insert range code from Standard Ranges table. Other standard ranges available;
see pages G-37 to G-40.
100 0 to 100 psi Ordering Example: PGC-20B-30, commercial pressure gauge with 2" dial, back connection
160 0 to 160 psi and 0/30 psi range, $25.
G-44
RUGGED SOLID STATE TRANSDUCERS
WITH AMPLIFIED OUTPUTS
STANDARD AND METRIC MODELS EXCLUSIVE
!
PRESSURE TRANSDUCERS
0-1 to 0-20 bar-Metric Units
Gage, Absolute, and
Compound Ranges
CURRENT OUTPUT
Based on proprietary solid
Starts at state sensor technology
originally used in
$
235 PX209-100GI,
cable style, $235,
shown actual size.
aerospace applications.
mini DIN
style.
B
Standard
PRESSURE TRANSDUCERS
(0.69) (1.00) 1/4
PX209 NPT
CURRENT OUTPUT
PX219
Dimensions: mm (in)
Ø25.4 51.31 (2.09) 34.26
ø = diameter 18.79 (1.35)
(1.00) max
(0.74)
18
HEX G1/4
B
PXM209
PXM219 1.78
Current Output
Voltage Output
PIN WIRE
(0.07)
PIN WIRE 1 + EXC RED 9 mm DIN 43650 with PG7 Gland
1 + EXC RED 2 COM BK
2 - EXC BK 3 + OUT WT
MAKE IT WIRELESS!
ADD WIRELESS CAPABILITY TO YOUR
PROCESS MEASUREMENT SYSTEM!
Wireless Connections From
Your Sensor to Your te
Instrumentation: For Comple e
De tails S e
⻬ Thermocouple, RTD, Wireless
Infrared Temperature, Section W
Humidity, pH, as well as
WRS232-USB wireless transmitter,
Process Voltage/Current $159, shown close to actual size.
⻬ Easy to Install and Use
Wireless Communications
⻬ Capable of Distances From Your Instrument to
up to 120 m (400') a PC:
⻬ Convert the RS232
Signal on Your Meter,
UWTC-1, $125. Controller or PLC
Both models ⻬ Works with any PC
shown smaller with a USB Port
than actual
size. ⻬ Easy to Install with
Seamless Operation
UWTC-REC2,
$235, available
⻬ Capable of Distances
with 4 to 20 mA, 0 to 5 Vdc, up to 120 m (400')
0 to 10 Vdc and Type K Laptop not included.
thermocouple output.
B-150
Power Supplies
SDN Series DC Power Supplies (DIN Mounted)
Class 1, Div. 2 Hazardous Locations shutdown. Auto-select voltage input. For indus-
Feature narrow width on DIN rail for space- trial control and process control applications
critical applications, rugged metal case, and DIN including DC input solenoids, valves, switches
connector. Large, sturdy, multiple-point screw (prox switches), relays, PLCs, and sensors. UL
terminations for quick connection. High-efficiency and C-UL Listed, CSA and CE Certified. Meet
>88%, switching-type power supply. Extra boost SEMI F47 SAG Immunity.
capacity for high inrush loads without foldback or
Voltage Input W H D Mfr. Item $
Output Amps Voltage (in.) (in.) (in.) Model No. Each
12VDC 9 115-230VAC 2.56 4.88 4.55 SDN9-12-100P 5DJL5 ✓ 391.25
12VDC 16 115-230VAC 3.26 4.88 4.55 SDN16-12-100P 5DJL7 ✓ 569.50
24VDC 2.5 85-132/176-264VAC/90-375VDC 1.97 4.88 4.55 SDN2.5-24-100P 3WY62 ✓ 270.00
24VDC 3.8 85-132/176-264VAC/210-375VDC 2.56 4.88 4.55 SDN4-24-100LP 3WY63 ✓ 371.50
24VDC 5 115-230VAC 1.97 4.88 4.55 SDN5-24-100C 5DJL8 ✓ 443.50 No.
24VDC 5 85-132/176-264VAC/210-375VDC 2.56 4.88 4.55 SDN5-24-100P 3WY64 ✓ 394.75 3WY63
24VDC 10 115-230VAC 2.36 4.88 4.55 SDN10-24-100C 5DJL9 ✓ 627.00
24VDC 10 85-132/176-264VAC/210-375VDC 3.26 4.88 4.55 SDN10-24-100P 3WY65 ✓ 574.00
24VDC 20 115-230VAC 3.42 4.88 4.98 SDN20-24-100C 5DJN0 ✓ 947.50
48VDC 5 115-230VAC 3.26 4.88 4.55 SDN5-48-100P 5DJL6 ✓ 569.50
290
BIBLIOGRAFÍA
Educational Publishing.
Publishing.
York, 1966.
Springer, 2001.