Tutorial de Modelamiento de Efecto de Cimentaciones en Ríos con OpenFOAM

En este tutorial se aplicará el solucionador simpleFoam y la ecuación de turbulencia k-Épsilon, se automatizarán comandos para correr el solucionador y los prerrequisitos de este; por último, se podrá observar los efectos de los pilares en el cauce en base a variables como velocidad y presión que se graficarán como líneas de corriente.

Solucionador simpleFoam

El solucionador simpleFoam es para flujos incompresibles, flujos turbulentos y está basado en el algoritmo SIMPLE, el cual es un algoritmo para la resolución de la ecuación de Navier-Stokes basado en la presión. En dinámica computacional de fluidos es ampliamente usado, SIMPLE es un acrónimo para “Semi-Implicit-Method for Presure Linked Equations”, siendo la traducción “Método Semi-Implícito para Ecuaciones Relacionadas con Presión”, su historia se remonta a los años 70’s y ha sido usado extensamente en investigaciones para resolver diferentes tipos de problemas de fluidos y transferencia de calor.

Al ser un algoritmo iterativo siendo sus pasos para desarrollarse los siguientes

Establecer las condiciones de borde.
Computar los gradientes de velocidad y presión.
Resolver la ecuación discretizada de momento para computar el campo de velocidad intermedio.
Calcular los flujos de masas no corregidos en las caras.
Resolver la ecuación de corrección de presión para producir valores de celdas de la presión corregida.
Actualizar el campo de presión.
Actualizar las correcciones de presiones en las fronteras.
Corregir los flujos de masa
Corregir las celdas de velocidad
Actualizar la densidad debido a los cambios de presión.

Caso de estudio

En este caso de estudio se modela los efectos del flujo sobre 4 pilares sumergidos que representan la base para un puente, la importancia de estas infraestructuras se encuentra en que pueden cambiar el cauce del río, además de la incorporación de efectos graves en el curso natural del río como por ejemplo la presión ejercida justo después y debajo de los pilares puede causar erosión en el lecho del río; en estos puntos de alta velocidad cualquier objeto traído por el río puede adquirir suficiente energía para causar daños a los pilares. Este caso en especial requiere de modelación 3D debido a las complejas geometrías que se pueden encontrar en ríos, a esto se le añade la turbulencia generada por los pilares.

La simulación del solucionador SIMPLE asume que las caídas de presión no van a ser tan bajas como para crear vapor de agua. Dentro del solucionador de este ejercicio se estable la ecuación RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes) obtenidas introduciendo una descomposición de la presión y la velocidad en la ecuación de Reynolds y promediando el tiempo de las ecuaciones.

El modelo de turbulencia usado es k-Épsilon, siendo este el más popular y el cual necesita de dos valores para expresar completamente el fenómeno, uno es el índice de consistencia de flujo representado por “k” y la constante de disipación de turbulencia “épsilon”.

Análisis de resultados

Como resultado en la simulación se pueden observar que los pilares producen un cambio en la energía cinemática observándose el efecto en la presión ejercida sobre las paredes de los pilares, todo ello se puede observar como efecto en la “Vena contracta”, el cuál es el lugar en el que se encuentra la menor área por la cual circula el fluido, originándose así que la velocidad del fluido alcance los valores más altos en la simulación, este efecto es similar al flujo de un tanque hacia una tubería.

Esta simulación trae consigo valores basados en observación ya que no se tenían datos de campo para comprobar la velocidad del fluido, pero se puede ajustar cualquier parámetro deseado, esto con el fin de poder observar los efectos de fluidos en el transcurso, además que el solucionador puede ser ampliamente usado tomando como base el flujo del agua no logra una turbulencia mayor, ya que para ello se tendrían que utilizar otros solucionadores los cuales pueden evaluar mejor el efecto del fluido en las cimentaciones, como es en el caso de inundaciones rivereñas las cuales en el Perú son características por contener una elevada cantidad de sedimentos que pueden dañar esta infraestructura.

Otro de los alcances de estos tutoriales es en la evaluación de energías renovables basadas en las mareas, energía que necesita de estudios de dinámica de fluidos previos para poder evaluar su efectividad y factibilidad.