Modelamiento de Efluentes Atmosféricos (Chimeneas) con Inversión Térmica y OpenFoam - Tutorial

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En el presente tutorial se utilizará OpenFOAM para la simulación de un caso hipotético, este caso constará de una inversión térmica y su efecto en chimeneas, el cual estará configurado con el solucionador interMixingFoam y se representará el fenómeno en base a densidades reflejándose este proceso con el efluente de una chimenea.

Acerca del solucionador

OpenFOAM es un paquete de software libre, usado ampliamente por muchas áreas de la ingeniería y ciencia, posee una extensa biblioteca de solucionadores los cuales cumplen la función de discretizar las ecuaciones de Navier-Stokes.

El solucionador base para este caso se denomina interMixingFoam, el cual es un solucionador para 3 fluidos incompresibles, dos de los cuales son miscibles usando un método VOF para capturar la interfaz.

Acerca de la inversión térmica

Este fenómeno es más común en las noches frías, ya que la Tierra no recibe radiación solar, pero emite calor (radiación infrarroja) hacia las capas superiores de la atmósfera y hacia el espacio exterior. Como consecuencia, el suelo se enfría, y se enfrían también las capas de aire más cercanas a la tierra. El perfil térmico, al revés que en días soleados, se invierte y las capas más frías se encuentran ahora cercanas al suelo. Por esa razón, el fenómeno ha sido descrito como “inversión térmica”. La capa de aire frio a nivel del suelo se encuentra ahora en una situación estable, desde el punto de vista físico. Si una pequeña masa de esta capa sube, se enfriará según el gradiente adiabático, pero como estaba fría originalmente, tendrá menos temperatura que el aire que la rodea. Al estar más fría estará menos expandida, será más densa, y tenderá a bajar nuevamente. En noches de inversión térmica la atmósfera se mantiene quieta, desaparecen la turbulencia y los movimientos verticales del aire. Los contaminantes no se dispersan hacia las capas superiores de la atmósfera, sino que se acumulan sobre la ciudad. Durante la mañana siguiente, el sol calentará nuevamente el suelo y con él, las capas de aire más bajas. En algún momento se invertirá el perfil térmico y el aire volverá a mezclarse por movimiento turbulento. El sol habrá iniciado su diaria rutina de elevación de los contaminantes hacia arriba y la ciudad podrá respirar nuevamente. A las 11 de la mañana, aproximadamente, en los días de inversión térmica los servicios de información ambiental avisan que se ha “roto la inversión”.

Las plumas emitidas por encima o por debajo de una capa invertida no penetran en ella sino que quedan entrampadas. Por lo general, las altas concentraciones de contaminantes del aire están relacionadas con las inversiones ya que estas inhiben la dispersión de las plumas. Los cuatro tipos de inversión principales se deben a diversas interacciones atmosféricas y presentan diferentes períodos de duración.

Características del escenario

El presente escenario simulado corresponde a una chimenea que esta emitiendo gases a la atmósfera, esta atmósfera esta caracterizada por encontrarse en un estado de inversión térmica, por lo que se tendrán tres diferentes tipos de fluidos, el primer fluido constará del emitido por la chimenea, el segundo será el que está estable en la atmósfera y el último será el que se encuentra sobre la primera atmósfera siendo la capa de mayor temperatura.

Condiciones Iniciales del modelo

La simulación se realiza con el solucionador interMixingFoam ya que es una manera práctica de tener los 3 estados diferentes mencionados anteriormente, el único flujo de entrada que se tendrá será la chimenea, la cual tendrá una velocidad de entrada al modelo equivalente a 2 m/s, la atmósfera estable estará desde el momento inicial ocupando una altura equivalente a 350 metros y la capa de inversión se encontrará sobre la atmósfera estable hasta los 400 metros, además se manejarán diferentes densidades siendo la de la chimenea equivalente a 1.4, la de la atmósfera estable equivalente a 1.2 y la de la capa superior equivalente a 1, reflejándose así las diferentes presiones ejercidas en el medio y las temperaturas inmersas en ello.

Consideraciones

Esta simulación corresponde a una simulación intermedia, hay que tener en cuenta variables variadas y no se consideró un eje “Z” debido a la carga computacional del modelo y para tener una mejor visualización de la dinámica del contaminante, se debe tener cuidado con las densidades ya que son un elemento sensible en la simulación.

Tutorial

Datos de Entrada

Puede descargar los datos de entrada de aqui.

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Posted on November 5, 2018 .