Simulación de un Resalto Hidráulico con OpenFOAM - Tutorial

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Un salto hidráulico está definido como una elevación del nivel del agua en un canal abierto, puede ser calculado, diseñado y controlado normalmente en vertederos. Ocurren cuando un líquido con alta velocidad descarga sobre uno de menor velocidad, produciendo así una disminución de la energía cinética del líquido y un aumento de la energía potencial, una parte puede ser disipada en forma de calor debido a la turbulencia.

El origen de un salto hidráulico está dominado por el caudal y velocidad, en este ejercicio se aplicará el solucionador interFoam para la demostración de este fenómeno físico, visualizándose una ola posterior al obstáculo, la ventaja de utilizar interFoam es que nos permite visualizar bien la diferencia de elevación y el comportamiento del fluido en el salto hidráulico como líquido y además observar sus propiedades adicionales.

Los saltos hidráulicos se pueden clasificar de 5 tipos diferentes, y estos van a estar caracterizados principalmente por el número de Froude (Fr), el cual establece que un flujo es supercrítico cuando es mayor que la unidad, y subcrítico cuando es menor, siendo necesario para la formación del salto hidráulico un flujo que vaya de supercrítico a subcrítico.

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Teniendo una clasificación de saltos hidráulicos correspondiente basada en el número de Froude:

  • De 1.0 a 1.7: Salto ondular
  • De 1.7 a 2.5: Saltos débiles
  • De 2.5 a 4.5: Salto oscilante
  • De 4.5 a 9.0: Salto estable
  • De 9.0 a más: Salto fuerte

Además, a ello se le pueden acoplar un balance de energía para observar el comportamiento del fluido. Entre las ventajas se encuentra que ayuda a disipar la energía cinética de aliviaderos, atrapa aire en el agua lo cual ayuda a remover desechos y contaminación del agua, puede ser usada para mezclar químicos para la purificación del agua, mantiene un nivel de agua alto en la parte baja lo cual es útil para propósitos de irrigación. Entre sus desventajas esta que puede causar daño y degradación al lecho de los canales, puede favorecer la erosión y puede producir condiciones indeseables para los peces.

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Configuración del modelo

interFoam es un solucionador para 2 fluidos incompresibles, isotérmicos e inmiscibles usando como base el volumen del fluido, el cual una ecuación de transporte es usada para determinar el volumen relativo de las dos fases, o fracción de fase en cada celda computacional. La naturaleza de este método recae en las interfaces de las fracciones, y las fases son identificadas entre el valor de 0 y 1.

En este tutorial se configura una velocidad de entrada variable en la parte de la geometría correspondiente a “Inlet”, la cual es colocada en base a una función, y al ser variable, esta simulación variable se añadirá a una nueva carpeta llamada “dynamicCode” la cual contiene información acerca de las variables que varían según las especificaciones dadas y por último, se añadirá estas variables de velocidad al archivo “U” en la carpeta “constant”, siendo esta una variable, y pudiéndose ver algunos estados característicos de la clasificación en base a la clasificación del número de Froude.

 

Tutorial

 

Discusión

Se puede observar que OpenFOAM permite simular adecuadamente cualquier tipo de fluido, y en especialmente estos fenómenos característicos que son característicos y demostrativos tanto a nivel de laboratorio, como a nivel de simulación de fluidos, además no se limita a si son newtonianos o no, se puede establecer las configuraciones que se deseen, por ejemplo en esta visualización se logro completar la característica anhelada de una manera sencilla, por lo que se podría simular otro fenómeno relacionado con fluidos, como por ejemplo cavitación o sedimentación de partículas que son tipos de soluciones que se han añadido a OpenFOAM con el tiempo, y que su simulación sería de mucha ayuda para el análisis adecuado de estructuras. Cabe resaltar que en esta simulación usamos interFoam como solucionador, pero, a la vez, tiene muchas más variaciones y librerías externas creadas por la comunidad que se pueden usar.

 

Datos de ingreso

Puede descarga los datos de ingreso para este tutorial aquí.

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Posted on July 4, 2018 .