Modelamiento de Disipadores de Energía en Canales con OpenFOAM - Tutorial

En este tutorial se demostrará una configuración de disipador de energía en un canal, este diseño está basado en un manual de drenaje de aguas pluviales, y su efectividad para la disipación de energía, para ello se utilizará OpenFOAM con el solucionador interFoam y como principal variable se analizará la velocidad del flujo para demostrar la eficacia del disipador.

Acerca del diseño

El disipador de energía fue desarrollado para épocas de tormenta en la cual los canales traen consigo caudales mayores y donde la velocidad aumenta continuamente. Este modelo de disipador fue desarrollado por el Departamento de Servicios de Drenaje en Hong Kong y publicado en este manual, la característica de este disipador de energía es que no se basa en saltos como otros, sino que es por impacto, el cual frena de golpe el flujo para que no pase con energía de más y pueda ocasionar daños aguas abajo. Existe un gran récord de problemas en alcantarillas debido a las épocas de avenida, que más que todo la conforman las fuerzas que producen erosión en el lecho del canal.

Geometria del disipador propuesto por el Departamento de Servicios de Drenaje en Hong Kong

Cabe resaltar que no un solo diseño de disipador es necesario, se debe tomar datos de campo para ver si la factibilidad de este en la zona, con previas simulaciones que faciliten la interpretación de resultados, y a la par se deben diseñar los alcantarillados con los canales a implementar.

Configuración del modelo

Como solucionador se usa interFoam ya que nos permitirá observar los cambios de fase posibles a ocasionar y también visualizar adecuadamente el fluido, entre las características de interFoam son que 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.

Malla tetrahedrica realizada en Salome Platform e importada a OpenFOAM

El caso de estudio fue modelado con condiciones de prueba, con el fin de ajustar la mejor visualización, ya que cada canal tiene que estar diseñado de acuerdo con un hidrograma respectivo que permita analizar adecuadamente inundaciones o épocas de avenida extrema.

Condiciones de borde y de inicio

Todas las condiciones de borde empleadas en este ejercicio son sencillas y están basadas en las condiciones de borde del ejercicio “damBreak”, para asegurar una adecuada disipación de energía se tomó el canal de entrada con una velocidad inicial de 30 m/s en el eje “X”, en la propiedades de transporte se definieron ambos fluidos tanto la fase de agua como de aire como newtonianos, y no se aplicó un efecto de turbulencia en este modelo ya que se tomó como si fuera laminar para acortar el tiempo de computación, esto se puede cambiar en el archivo de “turbulenceProperties” y se puede configurar según las necesidades o características del fluido. Además, en condiciones de borde se separó la parte de la barrera con el fin de poder analizar independientemente este lado de la geometría si es que es deseado.

Simulación de flujo

Al ser una simulación compleja, para equilibrar el número de Courant y no se tenga problemas en el solucionador, se disminuyó el salto de tiempo de cada iteración a “0.001” segundos, lo que hará que demore más en correr nuestra simulación, pero disminuirá los errores computacionales posibles, además como el tiempo final de simulación es 40, se tendrá un largo tiempo de iteración, a menos que se corra en paralelo.

Distribución de velocidades antes y después del disipador

En los esquemas de la simulación se mantuvieron por defecto todas las ecuaciones derivativas, lo mismo pasa en el archivo de soluciones, el cual tiene por defecto todas las ecuaciones, tolerancias y algoritmos controlados.

Animaciones

A continuación presentamos dos animaciones:

La primera es la geometría del disipador y flujo de agua a través de la barrera
La segunda es la distribución de las velocidades en fondo de disipador

Aplicación a casos reales

Este ejercicio como se mencionó anteriormente es demostrativo, siendo el principal objetivo la visualización del funcionamiento de una barrera para la disipación de la energía cinética y su transformación, para casos de estudio más específicos se tendría que diseñar el disipador, analizar la geometría con herramientas computacionales y hacer pruebas a distintas velocidades, cabe resaltar que existen variedad de diseños de disipadores diferentes al de impacto y uno muy común es el que genera saltos, produciendo turbulencia en el agua y disipando en forma de calor la energía almacenada, también hay libros que especifican las dimensiones en base al caudal manejado, por lo que se podría automatizar fácilmente el diseño del disipador de energía, así como también hacer distintas pruebas para optimizar los diseños ya que el mostrado en el presente ejercicio tiene algunas limitaciones.