F08-Rio

Área de Mecánica de Fluidos CURSO 2006-07

PRÁCTICAS DE FLUIDODINÁMICA COMPUTACIONAL

PRÁCTICA Nº 8 - FLUENT

SIMULACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE

CONTAMINANTES EN UN RÍO 1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 2. GENERACIÓN DE LA GEOMETRÍA EN GAMBIT 3. GENERACIÓN DEL MALLADO EN GAMBIT 4. CONDICIONES DE CONTORNO Y EXPORTACIÓN DESDE GAMBIT 5. INICIALIZACIÓN DEL CASO EN FLUENT 6. RESOLUCIÓN 7. ANÁLISIS DE RESULTADOS

PRÁCTICA No. 8 - FLUENT SIMULACIÓN DE LA DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN UN RIO

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Área de Mecánica de Fluidos

1.- DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El objetivo de esta práctica es ilustrar la resolución de un flujo no estacionario multi-especie en un dominio tridimensional. Se pretende analizar el fenómeno de dispersión y transporte de un vertido contaminante en el curso de un río. Se comenzará mostrando las estrategias más habituales empleadas para la generación de dominios tridimensionales en CFD. A continuación se darán las instrucciones necesarias para poner en marcha el modelo multiespecie. Será necesario emplear una simulación transitoria mientras se va alcanzando el estado asintótico para la dispersión del contaminante en el río. Se analizará la influencia de algunos parámetros en la evolución de la dispersión del vertido, tales como la forma del curso fluvial o el uso de sumideros para controlar el vertido. En este ejemplo se va a mostrar cómo hacer las siguientes tareas en FLUENT:

Crear una geometría tridimensional y mallarla en el programa de pretratamiento GAMBIT. Preparar un caso multiespecie, no estacionario para su resolución. Resolver una simulación dependiente del tiempo. Determinar las distribuciones finales de contaminante a lo largo del río. Generar animaciones que describan el estado transitorio del vertido y el efecto de medidas

de control en la difusión del contaminante. Problema tipo. Consideraremos un trozo característico de un río, con una longitud total de unos 425 metros. Se definirá el curso del río a través de una serie de puntos así como la sección transversal del torrente fluvial. La sección se extruirá a lo largo del curso del río con el objeto de obtener un volumen que representará la masa de agua. Se incluirán un par de superficies que servirán como puntos de desagüe. Por uno de esos desagües se introducirá en el modelo el vertido contaminante mientras que el otro se empleará como punto de recogida de agua. El caudal del río se estima en unos 100 m3/s. El vertido contaminante será de 0.1 m3/s.

Fig. 1. Geometría del río

QVERTIDO: 10 m3/s

QRÍO: 100 m3/s


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2.- GENERACIÓN DE LA GEOMETRÍA EN GAMBIT Estrategia a seguir para crear la geometría. Se definirá en primer lugar el curso del río mediante una serie de puntos. Al inicio del cauce se creará la sección transversal del río. A continuación, se extruirá longitudinalmente dicha sección para obtener el dominio tridimensinal. En ese punto, habrá que introducir las secciones planas que simularán los desagües tanto de vertido como de captación. Para facilitar la creación de la geometría tridimensional, en lugar de seguir la filosofía jerárquica de GAMBIT, procuraremos utilizar todas las utilidades que incorpora el programa para generar volúmenes de forma rápida y sencilla. Crear un directorio de trabajo. Ha de crear una carpeta “Rio” dentro del subdirectorio que sea conveniente. Utilizaremos esa carpeta de trabajo para almacenar los archivos y resultados que se vayan generando a lo largo de esta sesión. Inicie GAMBIT. Inicio > Ejecutar. Escriba cmd y presione al enter. Se abre una ventada de MS2 en la que debe escribir: gambit –id rio y luego ejecute pulsando intro. Si esto no funciona, escriba en la ventana el path completo:

c:\fluent.inc\ntbin\ntx86\gambit –id tunel Todas estas órdenes sirven para abrir el programa. Además, al indicarle como identificador (-id) el nombre “rio”, le estamos indicando al GAMBIT que utilice ese nombre como prefijo del archivo que vamos a construir a lo largo de esta sesión. Interfaz del GAMBIT. La interfaz de GAMBIT se compone de las siguientes partes:

• Barra principal. Observe que el nombre cilindro aparece tras el ID en la barra.

• Barra de herarramientas. A lo largo de este caso vamos a emplear muchas veces este panel. Fíjese que cada uno de los botones superiores, al ser seleccionados, dan paso a diferentes “sub-botones”. Por ejemplo, los “sub-controles” de Geometría son los que aparecen en la captura de pantalla:


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• Controles globales. Controlan la apariencia del modelo, las vistas o el zoom:

En este menú aparecen controles tales como Fit to Screen (ajustar a pantalla) o Undo

(deshacer) que son de gran utilidad mientras se crea la geometría y la malla.

• Pantalla gráfica. Es la ventana en la cual vamos a ver los progresos de nuestro modelo.


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• Panel de descripción de GAMBIT. Este panel contiene la descripción de los botones y

objetos que está señalando el ratón en todo momento. Mueve el ratón sobre distintos botones para observar el texto descriptivo correspondiente.

• Ventana de trascripción de GAMBIT. Es la ventana en la que van quedando reflejados los sucesivos comandos que son ejecutados por el usuario. Si se hace clic sobre la pequeña flecha de la derecha, arriba se puede minimizar y maximizar esta ventana.

Selección del SOLVER. Especifique que la malla que va a crear es para ser utilizada con FLUENT 6.0 Main Menu > Solver > FLUENT 5/6 Verifique que ha quedado correctamente registrado a través de la ventana de trascripción, en la cual puede leer: Command> solver select “FLUENT 5/6” NOTA: Los tipos de condiciones de contorno que pueden elegirse en el siguiente paso, dependen del solver que se haya seleccionado en esta opción. El flujo es TRIDIMENSIONAL. Vamos a colocar el origen de coordenadas (0,0,0) justo en uno de los vértices de la sección transversal del cauce fluvial. Origen de coordenadas. Se colocará el origen del sistema de coordenadas en una de las esquinas de la sección transversal del río, justo como un vértice de la superficie libre del río. Se va a crear la sección del río a partir de una serie de puntos que unidos con un spline representarán la solera del cauce. Creando vértices. Encuentre los botones que se indican a continuación, señalando cada uno de ellos con el ratón y observando la descripción que se hace de ellos en la ventana de descripción.


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Operation Toolpad > Geometry Command Button > Vertex Command Button > Create Vertex NOTA: Como puede comprobar, el botón de “Create Vertex” ya está seleccionado por defecto. Se crea el vértice que representa la esquina inferior izquierda del rectángulo. Para ello, junto a x: introduzca el valor 0; junto a y: introduzca el valor 0 y junto a z: introduzca el valor 0. Clic Apply para aplicar. Con esto, se crea el vértice O (0,0,0).

En la ventana de transcripción, GAMBIT indica que ha creado el vértice “vertex.1”. Los vértices (si no se les dan nombre en el campo label) son creados de forma correlativa en el orden en que son creados. Repita el proceso para crear los vértices que definirán el curso del río:

A (25,0,0) B (50,10,0) C (75,25,0) D (100, 0,0) E (75,-20,0) F (50,-40,0) G (55,-60,0) H (75,-65,0) I (100,-65,0) J (125,-65,0)

Como puede ver, como estamos definiendo una línea bidimensional, la coordenada z se deja siempre con el valor 0 por defecto.

Operation Toolpad > Global Control > Fit to Window Button

Este comando ajusta los vértices más exteriores del cauce en la ventana gráfica para que podamos ver todos los puntos en pantalla (se muestra la pantalla en la captura siguiente):


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Creando el curso fluvial. Ahora han de conectarse entre sí los vértices. Para ello, emplearemos líneas rectas (Straight) para unir los puntos OA y IJ. El resto de puntos se unirán utilizando la opción NURBS. IMPORTANTE: Para seleccionar cualquier objeto en GAMBIT, presione la tecla MAYÚSCULAS (Shift) y a la vez haga clic en el objeto que quiera seleccionar. Cuando un objeto queda seleccionado, aparece en rojo en la pantalla gráfica. Luego, suelte el botón de MAYÚSCULAS. Se pueden chequear los vértices que han sido seleccionados si se hace clic sobre la flechita junto al campo Vertices:

Haciendo esto, se abre una ventana desplegable donde aparece una relación de todos los objetos que han sido seleccionados. Además, los vértices se pueden poner y quitar de la lista utilizando los campos Available (disponibles) y Picked (seleccionados) y las flechas de izquierda y derecha para llevarlos de una lista a otra y viceversa.


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Es muy importante que los vértices del NURBS se elijan en el orden correcto para que el spline siga el camino que nosotros le indicamos. Una vez que se haya seleccionado todos los vértices, es el momento de hacer clic en Apply para generar el spline. Repita el proceso hasta que disponga de los lados rectos. Recuerde que la opción NURBS aparece al dar sobre edge con el botón derecho del ratón.

Si todo se ha hecho correctamente, el resultado que obtendrá será:

NOTA: Como puede observar, sólo los vértices inicial y final del spline se han vuelto amarillos. Ambos pertenecen al NURBS como punto inicial y final del mismo. El resto se han empleado para que el programe calcule la interpolación más cercana que pasase por ellos… pero estrictamente no pertenecen al spline recién creado y por eso siguen de color blanco.


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Crear la cara transversal. Para crear la sección perpendicular del río comenzamos introduciendo una serie de puntos:

P (0,0,-1) Q (0,6,-3) R (0,10,-1) S (0,10,0)

Creamos cuatro líneas: la superficie libre del río, uniendo con una línea recta el origen de coordenadas y el punto S. La solera del cauce, uniendo con un spline los puntos PQR. Finalmente, hacemos dos líneas verticales uniendo OP y RS. Para poder seleccionar los puntos recién creados así como ver de forma óptima la geometría conviene rotar las vistas y hacer zoom dinámicos. Al hacer modelos tridimensionales, las utilidades que implementa el ratón son muy útiles para centrar o hacer zoom. Practique las siguientes opciones:

• Manteniendo pulsado el BOTÓN IZQUIERDO del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer giros tridimensionales de las vistas.

• Manteniendo pulsado el BOTÓN CENTRAL del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer centrar la geometría en la ventana gráfica.

• Manteniendo pulsado el BOTÓN DERECHO del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer zoom dinámico de la vista.

• Manteniendo pulsada la tecla de CTRL, se hace clic y se arrastra el ratón sobre una determinada zona (la zona que quiero ver ampliada) y continuación se suelta el botón de CTRL, conseguirá hacer zoom ventana.

Las líneas que ha debido obtener serían

:

Ahora hacemos la cara: Operation Toolpad > Geometry Command Button > Face Command Button > Form Face


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Seleccionamos los 4 últimos lados que acabamos de crear y que forman un lazo cerrado. Para seleccionarlos basta con presionar la tecla MAYÚSCULAS y a la vez ir haciendo clic sobre cada línea y al final soltar la tecla una vez queden seleccionadas las 4 líneas en rojo. También es posible seleccionar utilizando la ventana desplegable que aparece junto a la flechita de la derecha:

Con esto, se activa la ventana de lista de lados. Haciendo clic sobre el los últimos y a continuación al botón , se seleccionan los lados que queremos. Haga clic en Close.

Como resultando, debería haber obtenido:

Extrusión de la cara. Para obtener el volumen que representará la masa de agua del cauce fluvial vamos a extruir la cara recién creada según la dirección del NURBS definido a partir de la línea media del río. La vamos a extruir siguiendo la curva alabeada que representa el cauce del río, definiéndola perpendicular al propio trayecto.


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Operation Toolpad > Geometry Command Button > Volume Command Button >

Stitch Faces . Haciendo clic con el botón derecho del ratón, desplegamos varias opciones y

seleccionamos de entre todas ellas la de extruir: Sweep Face: En el menú desplegable que nos aparece seleccionamos la cara que tenemos para extruir y elegimos en el campo Path la opción Edge. En la opción Type se elige el caso Perpendicular para que se vaya extruyendo perpendicularmente a la línea media. Para hacer la extrusión hacemos clic en Apply.

NOTA: Como podrá observar, las líneas son ahora verdes, lo cual significa que pertenecen a una entidad jerárquica superior: un volumen. Para ver una perspectiva del volumen, haga clic sobre la ventana gráfica con el botón izquierdo del ratón y muévase a izquierda o derecha con el ratón, manteniendo pulsado dicho botón izquierdo.


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Ya hemos extruido el primer volumen. Ahora repetimos la operación dos veces más con el objeto de generar los volúmenes de río asociados a los otros dos trozos del trayecto estudiado. Lógicamente, utilizamos la cara del volumen que se encuentra al inicio del spline para extruir. Al final, deberá haber obtenido:

Generación de las zonas de desagüe y recogida. Para marcar la superficie desde la cual se van a liberar los vertidos, es preciso crear ambas caras y “restárselas” al volumen recién creado. Operation Toolpad > Geometry Command Button > Face Command Button > Form Face . Haciendo clic con el botón derecho del ratón, desplegamos varias opciones y

seleccionamos de entre todas ellas la de extruir: Sweep Edges: . Elegimos el lado vertical de la margen izquierda del río, común a los dos primeros volúmes y lo extruimos en la dirección de x negativa con una magnitud de 2 metros. (Ver capturas siguientes):


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Hacemos clic en Apply y así conseguimos crear una cara que está “encima” del suelo del volumen. Simplemente, nos basta con restar esa cara al volumen. Para ello, utilizamos el comando Split:

Operation Toolpad > Geometry Command Button > Volume Command Button >

Split Volume . Elegimos el volumen que tenemos creado y bajo la opción Split With elegimos Face(Real) y ejecutamos haciendo clic en Apply

Al hacer esta operación, la cara lateral del volumen nos aparece partida en dos trozos. Repetimos la operación con los otros tres lados verticales que separan los volúmenes. De esta forma generamos 4 bocas en total para todo el dominio. OJO: Las líneas del volumen 3 debe extruirlas en la dirección de x positiva. Actuando correctamente, el resultado final sería:


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Para terminar, vamos a romper el volumen central en dos trozos. Tenemos que hacer esto para poder mallar de forma óptima el río MUY IMPORTANTE: Hay que pensar siempre en la malla, no en la geometría. La geometría sirve como punto de apoyo de la malla…pero realmente el mallado es sobre lo que se discretizarán las ecuaciones en FLUENT. Entonces, en primer lugar creamos un plano, centrado en el diedro XZ, para romper el volumen (Split). Creamos la cara con unas longitudes determinadas: 50 de ancho y 300 de alto bajo la dirección ZX Centered.

Para hacer el split, simplemente: Operation Toolpad > Geometry Command Button >

Volume Command Button > Split Volume . Elegimos el volumen central y bajo la opción Split With elegimos Face(Real), seleccionamos el plano recién creado y ejecutamos haciendo clic en Apply

Para “limpiar” el modelo, podemos borrar esa cara de apoyo: Operation Toolpad >

Geometry Command Button > Face Command Button > Delete Face .


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3.- GENERACIÓN DEL MALLADO EN GAMBIT A continuación se detallan los pasos para crear las mallas de todos los volúmenes. Iremos mallando desde la sección transversal en la zona de entrada al río y lo extruiremos (cooper) longitudinalmente hasta llegar al final. Se utilizará un patrón progresivo con el objeto de optimizar la malla en la zona próxima a las bocas de desagüe. Mallado del primer volumen. Operation Toolpad > Mesh Command Button > Edge Command Button > Mesh Edges Haga MAYÚSCULAS + clic como antes o utilice la ventana desplegable asociada a la lista de lados para seleccionar los cuatro lados de la sección transversal. Para acceder más fácilmente a los lados, se puede hacer un zoom ventana de la zona de interés. Para ello, manteniendo pulsada la tecla de CTRL, se hace clic y se arrastra el ratón sobre una determinada zona (la zona que quiero ver ampliada) y continuación se suelta el botón de CTRL. Para retornar a la vista completa del modelo, basta con volver a clicar en: Control Toolpad > Fit to Window Button En la tabla adjunta se muestra el número de nodos (Interval Count) que debe fijar para cada uno de los lados, así como el tipo de malla progresiva a emplear:

Lado Interval Count Type Ratio Verticales 7 Sucessive Ratio 0.9

Horizontales 20 Bell-shaped 0.7 Los nodos de los lados verticales deben tender a acumularse hacia la solera del volumen. Además, debe mallar las 5 secciones que se ven en el modelo para que al hacer la extrusión de malla se mantengan los patrones progresivos, así como las líneas verticales de las bocas. Al final, debe obtener lo siguiente:

Respecto a los lados longitudinales, vamos a definir varios patrones diferentes, en función de que pertenezcan al volumen central partido o a los dos volúmenes que tienen las bocas de vertido. Las distribuciones a adoptar se detallan a continuación:


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• Para el volumen central partido en dos trozos:

• Para los lados longitudinales de las bocas: Interval Count=10, equiespaciados. • Para los lados longitudinales restantes de los volúmenes de entrada y salida: Interval

Count=20 con Sucessive Ratio=0.9 Como puede ver, la malla siempre se hace más fina hacia las bocas de entrada y salida de vertidos.

Interval Count: 40 Sucessive Ratio: 1.09





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Procedemos a mallar todos los volúmenes. Como se han mallado todas las líneas, podemos hacer directamente un mallado hexagonal (sin extruir) del volumen. Comenzamos mallando el primer volumen:

Operation Toolpad > Mesh Command Button > Volume Command Button >

Mesh Volume Seleccione el primer volumen. Por defecto, el programa selecciona la opción más adecuada. En este caso, lo más cómodo es emplear la opción Hex – Map. El Spacing que marca por defecto será ignorado, pues ya ha sido especificada por nosotros la distribución de malla en todos los lados del dominio.

Hacemos clic en Apply. Después, repetimos con los otros volúmenes adyacentes. Al final, la malla del río debería tener el siguiente aspecto:

Para apreciar la malla con más claridad, es posible utilizar un renderizado de las superficies. De esta forma, en vez de renderizar con un modelo de alambre, hacemos un Shaded.


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Operation Toolpad > Global Control > Render Model

4.- CONDICIONES DE CONTORNO Y EXPORTACIÓN DESDE GAMBIT Crear los tipos de condiciones de contorno. El esquema adjunto nos muestra qué tipo de condición de contorno hemos de fijar en el modelo. La zona del incendio será la entrada de velocidad para los gases, el techo de los postizos serán condiciones de salida, el plano de simetría de la geometría se definirá como tal y el resto de superficies serán paredes.

Outlet

Inlet

Symmetry

Wall

Inlet Wall


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Operation Toolpad > Zones Command Button > Specify Boundary Types Command Button Con esto se activará el panel de especificación de condiciones de contorno. Para empezar, vamos a fijar que la zona del incendio es la entrada de humos. Para ello, en Entity: seleccionamos la opción Faces para que GAMBIT sepa que queremos seleccionar una superfice (ya por defecto trae activo Face).

Ahora seleccionamos la superficie como siempre, haciendo MAYÚSCULAS + clic sobre ella. El área seleccionada aparece en el recuadro amarillo que está bajo el botón de Entity. Además, podemos darle nombre dentro del campo Name:, por ejemplo inlet-rio. Para fijar el Type:, seleccionamos MASS-FLOW-INLET. Hacemos clic en Apply. Con eso, la condición de contorno queda carga dentro del recuadro Name/Type, tal como se ve en la captura:

A continuación se repite el proceso con el resto de superficies que se muestran en el dibujo anterior. Agrupándose por condiciones de contorno, si se ha hecho todo correctamente, la lista final de condiciones de contorno debería figurar de la siguiente manera en el programa:

De las cuatro bocas, la boca-1L (primera a la izquierda) se fija como mass-flow-inlet. El resto se dejan como wall por el momento.


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Salvar y exportar. Main Menu > File > Save As… Especifique el directorio donde quiere guardar el fichero de GAMBIT. Note que la extensión es *.dbs

Main Menu > File > Export > Mesh… Con esta instrucción se exporta el fichero para que pueda ser interpretado por Fluent a continuación. Escriba tunel.msh como nombre de archivo (File Name). Desactive la opción Export 2D Mesh, ya que efectivamente el caso es tridimensional. Haga clic en Accept. Compruebe que un archivo rio.msh ha sido creado en su directorio de trabajo. Cierre el programa GAMBIT y pase a abrir el programa FLUENT. 5.- INICIALIZACIÓN DEL CASO EN FLUENT. Ejecutar el programa FLUENT. Start > Programs > Fluent Inc > FLUENT 6.0 o bien ejecute el icono que debe aparecer en el escritorio del PC. Seleccione la opción 3ddp dentro de la lista de opciones y luego haga clic en Run. La opción 3ddp se utiliza para seleccionar el solver tridimensional de doble precisión. En el solver de doble-precisión, cada número decimal está representado por 64 bits, en vez de los 32 bits que se emplean en el solver de precisión sencilla. La opción de doble precisión no aumenta sólo la precisión sino también el rango máximo y mínimo que pueden alcanzar las magnitudes que se van a representar. Obviamente, esta opción requiere de más memoria de cálculo. Importar la malla. Main Menu > File > Read > Case… Utilice el explorer que nos aparece para acceder a su directorio de trabajo y seleccionar el fichero rio.msh. Obviamente, ese es el fichero que fue creado con el programa anterior GAMBIT. Al cargarlo, FLUENT nos da información sobre las características del mallado. Compruebe el número de nodos, caras (de los distintos tipos) y celdas. Hay 22400 celdas hexagonales (hexahedral cells). NOTA: Debido al algoritmo que emplea GAMBIT para la generación de la malla, puesto que ésta no fue definida perfectamente ortogonal, puede haber discrepancias en el número de celdas de unos casos a otros. Por otro lado, es interesante ver las zonas que se han cargado. Podemos comprobar cómo aparecen las cuatro condiciones de contorno que definimos con anterioridad: inlet-rio, outlet-rio sup-libre, boca-1l, boca-1r, boca-2l y boca-2r. Además, por defecto, ha creado una pared wall que engloba todo el resto de superficies exteriores del modelo.


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Validar y dibujar la malla. En primer lugar, hemos de chequear el mallado para asegurarnos que no ha habido errores ni en la generación, ni en la exportación ni en la importación. Main Menu > Grid > Check En caso de que hubiesen errores, deberían ser detectados por FLUENT en esta operación. Compruebe el resultado del chequeo. Si todo esta correcto, proceda a comprobar el tamaño del mallado: Main Menu > Grid > Info > Size Los siguientes resultados deberían ser proporcionados por el programa:

A continuación dibuje la malla: Main Menu > Display > Grid … Asegúrese que los 9 objetos que aparecen bajo el epígrafe Surfaces están seleccionados (todos menos el default-interior). A continuación haga clic en Display. Una ventana gráfica se abre y la malla aparece dibujada en ella. Ya puede hacer clic en el botón Close de la ventana Grid Display para ganar espacio en el escritorio. Como puede comprobar, la ventana gráfica no se cierra y permanece visible. Las más importantes operaciones que se pueden hacer dentro de la ventana gráfica se resumen a continuación:

• Traslación. El mallado se puede mover en cualquier dirección (centrar el dibujo completo o solo una zona determinada) si se mantiene pulsado el botón izquierdo del ratón y a la vez se mueve el ratón en la dirección que se quiera.


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• Zoom In. Mantenga pulsado el botón central del ratón y arrastre una ventana desde la esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha de la zona que quiere observar. Luego suelte y se ejecutará el zoom de esa zona, ajustándolo al tamaño máximo de la ventana gráfica.

• Zoom Out. Mantenga pulsado el botón central del ratón y arrastre una ventana en cualquier lado desde la esquina inferior derecha a la esquina superior izquierda (inverso al anterior). Luego suelte.

Practique estas operaciones para obtener una vista de la zona de vertido 1L, tal y como se muestra en la figura siguiente:

Obviamente, puede mostrar sólo aquellas partes del mallado que le interese. Para ello, basta con seleccionar sólo las superficies que quiere mostrar:

Por comodidad, el botón que está junto a Surfaces selecciona todos los objetos, mientras que el botón deselecciona todas a la vez. Cierre la ventana gráfica para continuar.


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Definición del SOLVER. Main Menu > Define > Models > Solver Elija la opción de Unsteady bajo el cuadro Time. Se emplearán las otras opciones que por defecto indica el programa, como el tipo segregated, implicit formulation, space-3D y absolute velocity formulation. Haga clic en Ok.

Main Menu > Define > Models > Viscous El flujo en el interior del túnel será turbulento. Seleccionamos como modelo de turbulencia la opción k-épsilon. Ya que la malla es muy gruesa, seleccionamos también la opción de Standard Wall Functions, con el objeto de que introduzca en el tratamiento cercano a los contornos sólidos la ley logarítmica de pared. Haga clic en Ok.


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Definición del modelo multiespecie. Main Menu > Define > Models > Species > Transport & Reaction Active la opción Species Transport. Finalizamos haciendo clic en Ok.

Definición de las propiedades del fluido. Main Menu > Define > Materials Vamos a editar este “fluido” multiespecie. Para ello, primero hemos de introducir como material fluido el agua así como otra “agua” que hará las veces de contaminante. En Material Type seleccionamos la opción fluid y a continuación hacemos clic en Fluent Database. Nos sale un nuevo cuadro de diálogo. En él, elegimos de nuevo la opción fluid dentro de material type. Buscamos el agua líquida (water-liquid [h2o(l)]), y hacemos clic en Copy. A continuación hacemos clic en Copy de nuevo. El programa nos advierte que el agua ya está incluida y que si queremos definir un nuevo material hay que cambiarle el nombre. En new-name lo renombramos como contaminante y luego damos a Ok. Cerramos el DataBase. De vuelta en el panel Materials en Material Type seleccionamos ahora Mixture y hacemos clic en Edit…, botón que se encuentra junto al campo names en Mixture Species. Aparece un nuevo cuadro de diálogo que nos permite añadir y eliminar componentes de la mezcla multiespecie que tenemos por defecto (mixture template). Añadimos las dos materiales líquidos que acabamos de cargar (water-liquid y contamante) y eliminamos el O2, el H2O y el N2, de forma que el panel original se transforma en el final:


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Haga clic en Ok. Nuevamente sobre el panel de Materials, seleccione en Density la opción volume-weighted-mixing-law. Termine haciendo clic en Change/Create para validar todos los cambios. NOTA: Fíjese que la fórmula del agua es h2o, mientras que la del contaminante ha quedado como h2o-new. Main Menu > Define > Models > Energy En caso de flujo incompresible, la ecuación de la energía queda desacoplada de las ecuaciones de continuidad y del momento. Es preciso resolver la ecuación de la energía únicamente si estamos interesados en conocer la distribución de temperatura. En este caso, no nos interesa. Por tanto, se mantiene desactivada la ecuación de la energía y salimos haciendo clic en Ok Definición de Condiciones de Operación. Main Menu > Define > Operating Conditions … Para todo tipo de flujos, FLUENT utiliza internamente presión manométrica (relativa a la atmosférica). De todos modos, este modo de proceder exige que en algún momento se fije el valor absoluto de la presión a la cual quedan referidos todos los cálculos a partir de ese momento. Se empleará el valor por defecto de 1 atm (101325 Pa) como Operating Pressure. En este modelo no es preciso definir el valor de la gravedad para tener en cuenta su efecto, puesto que no estamos modelizando la superficie libre del río (la imponemos como condición de contorno de simetría). Por tanto:

Definición de Condiciones de Contorno. A continuación se fijarán los valores de flujo a la entrada del río y para la boca de contaminante. Main Menu > Define > Boundary Conditions … Obsérvese que en este panel aparecen las 8 condiciones de contorno que definimos en GAMBIT como zonas en la izquierda de la ventana de boundary conditions. Haga clic en la condición de sup-libre. Compruebe que el tipo seleccionado es symmetry. Después haga clic en Set… Fíjese cómo no hay nada que especificar para este tipo de condición. A continuación, haga clic en Ok.


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Muévase a lo largo de la lista y seleccione ahora la condición inlet-rio. FLUENT indica que el tipo de esta condición de contorno es mass-flow-inlet. Recuerde que el tipo de condición fue ya fijada en GAMBIT. De todas formas, es posible cambiar aquí el tipo de condición que se fijó en GAMBIT si es necesario. Basta con seleccionar otro tipo de condición en esta ventana y validar la selección. Haga clic en Set… Introduzca el valor de flujo másico 100000 kg/s en el campo Mass Flow-Rate [kg/s]. Este valor sale de multiplicar los 100 m3/s del caudal del río por la densidad del agua (aprox. 103 kg/m3). En Direction Specification Method elija la opción Normal to boundary. Asimismo, mantenga el valor 0 para el h2o-new dentro del apartado Species Mass Fractions. Una vez haya introducido todos estos valores, haga clic en Ok.

Ahora especifique las condiciones de contorno para la boca-1l. Introduzca en mass flow-rate el valor 10000 kg/s y fije la dirección del flujo perpendicular a la condición (Normal to boundary). En el apartado Species Mass Fractions, introduzca el valor 1 para el contaminante (h2o-new).

El resto de condiciones se pueden dejar por defecto. Haga clic en Close para cerrar el menú de Boundary Conditions.


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6.- RESOLUCIÓN Para la resolución se empleará un esquema de discretización de segundo orden. Main Menu > Solve > Controls > Solution… En el campo Discretization, cambie la opción de Pressure a Body Force Weighted, puesto que ofrece mejor convergencia que el resto de posibilidades. Cambie el resto de parámetros (4) de Discretization a Second Order Upwind. Además, utilice como Pressure-Velocity Coupling el método SIMPLEC.

Haga clic en Ok. Inicialización de la solución. Hay que inicializar el campo de velocidades y presiones para llevar a cabo el método iterativo de resolución. En este caso, vamos a fijarle a todo el dominio valores nulos para todas las variables. Main Menu > Solve > Initialize > Initialize… Haga clic en Init. Con esto, se completa la inicialización del modelo.

Fijar criterios de convergencia. Mientras resuelve las ecuaciones de forma iterativa, FLUENT va mostrando en pantalla un valor de residuo asociado a cada ecuación de gobierno del flujo que está resolviendo. El residuo es una medida de lo bien que la solución actual cumple las ecuaciones de gobierno discretizadas. En nuestro caso, vamos a iterar la solución hasta que los valores del residuo se sitúen por debajo del valor umbral de 10-3.


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Main Menu > Solve > Monitors > Residual… Mantenga el valor de residuo bajo el campo Convergence Criterion al valor 1e-03 tanto para la ecuación de continuidad (continuity) como para las componentes de la ecuación del momento (x-momentum, y-momentum). Además, bajo el cuadro Options, seleccione la opción Plot. Con esto, conseguirá que FLUENT muestre los residuos en pantalla mientras va resolviendo el modelo. Mantenga también activa la opción Print (irá escribiendo los valores en pantalla). En el campo Plotting especifique que los muestre en la Window 1 (por defecto trae 0).

Haga clic en Ok. Monitorización del flujo a la salida del dominio. Mientras va iterando, vamos viendo la evolución del flujo de agua y contaminante en las salidas. Es de esperar que se observe un comportamiento asintótico que prediga que tras un cierto tiempo de estabilidad, la cantidad de contaminante que entra es igual al que sale. Main Menu > Solve > Monitors > Surface… Hacemos clic tanto en Plot como en Print y definimos al programa que queremos ver los resultados cada Time Step (Every). A continuación hacemos clic en el botón Define. Seleccionamos en Report Type: Flow Rate y le decimos al programa que nos los muestre en todas las superficies outlet-rio y boca-1l en la Plot Window 2.

.


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Visualización del proceso de difusión del contaminante. FLUENT permite la visualización de contornos o gráficas de las variables mientras está iterando. De esta forma, podemos almacenar una animación del flujo durante el transitorio de simulación. Para ello, hay que definir una animación de la siguiente forma: Main Menu > Solve > Animate > Define… Indicamos que queremos realizar una secuencia: Animation Sequences se fija a 1. A continuación, se decimos que la actualiza cada paso temporal: Every: 1 y When: Time Step. A continuación se hace clic en el botón Define.

En el nuevo panel elegimos como Window la 0 y en Display Type seleccionamos la opción Contours. A continuación pulsamos en Properties… Seleccionamos en categoría la opción Species… y en la subcategoría la opción Mass fraction of h2o(l)-new. Le decimos que los muestre sobre la surface sup-libre. En la opción Levels introducimos el valor 64 y desactivamos la opción Filled. Hacemos clic en Draw grid para ver el dominio y buscamos una vista como la anterior. Hacemos clic en Display y ajustamos el zoom para ver con detalle el túnel. Ya que el túnel es largo, podemos estirar la ventana a lo ancho para mejorar la vista Como paso final, hacemos Ok en el panel de Animation Sequence y terminamos.

NOTA: Para dar renderizado al grid hay que ir a Main Menu > Display > Options y activar la opción Lights On. Dejamos por defecto el renderizado de tipo Gouraud. Si todo está correcto, deberíamos poder ver algo así:


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Como aún no ha comenzado el vertido, no vemos contornos de contaminante por el dominio (todo es valor cero). Con esto se termina todo el proceso de inicialización y definición del modelo a resolver. Ahora, salve el trabajo: Main Menu > File > Write > Case&Data … Escriba el nombre rio.cas como Case File. Haga clic en Ok. Compruebe que efectivamente FLUENT crea dicho archivo en su directorio de trabajo. Si por cualquier razón, cierra el programa FLUENT, podrá recuperar todo su trabajo simplemente leyendo el archivo rio.cas. Proceso iterativo para la convergencia. Main Menu > Solve > Iterate. En la ventana desplegable hemos de imponer un paso temporal del orden de 5 segundos. Se fijarán 50 iteraciones como número máximo por paso temporal y 24 pasos temporales para completar 1 minuto de simulación de estado transitorio. Le indicaremos también que refresque los valores de los residuos cada 10 iteraciones.


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7.- ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Al cabo de dos minutos, hemos encontrado la siguiente situación:

El flujo de contaminante a la salida comienza a igualarse con el de entrada por lo que el neto de ambos tiende asintóticamente a cero. Sin embargo, la distribución de contaminante aún no se ha establecido por completo en el río. En los meandros, aún tiene que establecerse un patrón estacionario para las líneas de corriente del contaminante:

Vamos a simular otros 3 minutos, en espera de que la masa de agua en el río se estabilice por completo. Después de esos tres minutos, veremos cómo queda la distribución de fracción de contaminante en el agua… Aplicamos entonces otros 36 pasos temporales.


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Al cabo de 5 minutos, vemos que se ha alcanzado un estado cuasi-estacionario. Hay ciertas oscilaciones del caudal de contaminante: esto puede indicar que en ciertas zonas (meandros) se almacenan “bolsas” de vertido que cuando alcanzan cierto valor crítico son arrastradas por la corriente principal. Por tanto, tenemos una fluctuación a la salida como consecuencia de este efecto. La distribución final de vertido es:

Animación del transporte de contaminante. Vamos a crear un archivo *.mpeg con la animación que hemos ido realizando mientras convergía el caso. Para ello: Main Menu > Solve > Animate > Playback… Seleccione la opción MPEG dentro del campo Write/Record Format. Haga clic en Write y cierre el panel. Con esta operación, se creará una animación en formato MPEG en el directorio de trabajo que podrá ser visualizada usando, por ejemplo, el Windows Media Placer u otro reproductor cualquiera.


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En la animación vemos cómo se va generando una acumulación de contaminante en la parte interna del meandro, que oscila y que seguramente es responsable de esa oscilación de masa contaminada en la salida del dominio. El contaminante se difumina por toda la corriente de agua, por eso a la salida las concentraciones son muy bajas, pero están completamente extendidas entre el caudal de agua circulante. Distribuciones a varias alturas Hasta ahora hemos analizado el comportamiento en la superficie libre, pero el contaminante se transporte también por debajo de la superficie. Vamos a crear planos a distintas cotas para ver la distribución de la fracción de masa del vertido en el río. Para ello, creamos los planos a cota z = -0.5 y cota z = - 2 metros. Main Menu > Surface > IsoSurface… En Surface of Constant elegimos la opción Grid… Z-Coordinate y en Iso Values tomamos el valor -0.5. Le decimos que obtenga esa superficie desde la zona fluid, marcada en el panel. La renombramos como z0.5. Repetimos el procedimiento para la cota -2 metros.

Ahora representamos la distribución de contaminante entre los valores 0 y 0.5 con un Display > Contours en la superficie libre y en las otras dos cotas y los comparamos:


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Superficie libre

Cota – 0.5 m

Cota – 2 m

¿Qué conclusiones se pueden obtener de estas distribuciones?


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Distribuciones de velocidad. También es interesante estudiar los patrones de velocidad ya que éstos explican el comportamiento del arrastre del contaminante. Vamos a observar los patrones en un plano transversal, situado a x=100 metros del origen. Para ello, creamos el plano como siempre, con la utilidad IsoSurface… En Surface of Constant elegimos la opción Grid…X-Coordinate y en Iso Values tomamos el valor 75. Le decimos que obtenga esa superficie desde la zona fluid, marcada en el panel. La renombramos como x75. Hacemos un contorno de velocidad absoluta en ese plano.

Vamos a crear una imagen fotorrealista en la que crearemos la IsoSurface de concentración de contaminante de valor 0.5 y sobre ella dibujaremos vectores velocidad. Esa imagen la fundiremos con la que acabamos de crear. Para hacer todo esto:

1) Hacemos la Iso-Surface de Species… Mass fraction of h2o-new from zones fluid para valor 0.5

2) Como tenemos la imagen anterior aún abierta, vamos a Main Menu > Display > Scene y activamos la opción Overlays y pulsamos en Apply.

3) Hacemos un Display > Vectors sobre la superficie que se acaba de crear ahora. Antes de hacer Display especificamos que los vectores sean de tipo filled-arrow y en Vector Options fijamos que tengan una Scale Head de 0.4. En Scale fijamos el valor 4.

4) Finalmente hacemos Display:


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Parada del vertido. Podemos reanudar el análisis suponiendo que se para el vertido de pronto. Analizaremos el tiempo que se tarda en “limpiar” por completo el río de contaminante. Para ello, en condiciones de contorno, introducimos un valor cero de entrada de caudal de vertido en la superficie boca-1l. Ejecutamos con la animación activada igual que antes, otros 2 minutos de simulación (24 time steps). Al final del proceso hemos obtenido:

Como vemos tras dos minutos prácticamente hemos limpiado el curso del río. La última acumulación de contaminante está próxima a la salida. Podemos hacer una interesante animación del proceso de limpieza de agua contaminada. EJERCICIO PROPUESTO: Otras situaciones. Se propone al alumno que estudie otras posibilidades. Por ejemplo, se podría estudiar la situación con el vertido de contaminante saliendo por la boca de la otra margen del río. Habría que buscar el estado estacionario de esa situación y a continuación plantear un nuevo cese de vertido. En ese punto, se propone que desde las bocas cercanas a la salida se aspire caudal con el objeto de evitar que la gran concentración que se desplaza hacia aguas abajo siga su curso. Para ello, basta definir unas en esas superficies una condición de contorno de velocity-inlet pero con signo contrario. Se puede fijar una velocidad en cada una de ellas de forma que el caudal (la sección de las bocas es de 2 m2) aspirado sea el doble del que había de vertido (20 m3/s). ¿Es efectiva esa aspiración? ¿lo es más desde una margen que desde la otra?

F08-Rio

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