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FLUJOS TURBULENTOS BIFASICOS 3D EN LLENADO DE MOLDES DE FUNDICION Y EN IMPACTO DE OLAS EN ESTRUCTURAS
Nelson Moraga, Carlos Garrido y Daniel Garrido
Departamento de Ingeniería Mecánica – Universidad de La Serena
Contenidos
• Metodología.
• Caso 1. Validación en 2D.
• Resultados
• Caso 2. Aplicación industrial en 3D.
• Diseño de un molde
• Resultados
• Conclusiones
P1. Llenado de moldes P2. Impacto de olas en estructuras
• Metodología.
• Caso 3. Validación en 3D.
• Resultados
• Caso 4. Predicción de efectos de tsunami en El Faro de La Serena.
• Parámetros.
• Resultados
• Conclusiones
Metodología
• Se resuelve un caso asintótico encontrado en la literatura para llenado de molde
en 2D, comparándolo con resultados numéricos otros autores.
• Se realiza una aplicación industrial en la evaluación del diseño de un molde en 3D.
• Aplicando el programa comercial ANSYS/FLUENT con MVF y la técnica VOF.
VOF
Volumen de control
Caso 1. Validación para el llenado de un molde
• Proceso transiente e isotérmico
• Flujos No Desarrollado y Newtoniano
• Casos 2D flujo laminar
• Paredes deslizantes
2.250 volúmenes2.401 nodos
Propiedades
Fluido B Fluido A
Densidad (ρ) = 0.1 kg/m³ Densidad (ρ) = 100 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 0.02 kg/(m s) Viscosidad dinámica (µ) = 0.2 kg/(m s)
Discretización espacial
Discretización temporal
• Paso de tiempo = 0.01s
• Máximo de iteraciones por paso de tiempo = 100
3 cm
3 cm
6 cm6 cm8cm
Supuestos
U=0.1m/s
g=10m/s2
Situación Física
Resultados Caso 1: Validación
Presente trabajo[1]
[1] M. Cruchaga, D. J. Celentano y T. E. Tezduyar: “Moving-interface computations with the edge-trackedinterface locator technique (ETILT)”, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Vol 47, pp. 451–469 (2005).
Interfase móvil
Líneas de corriente
Diseño de moldes
Sistema de ingreso sin presión [2]
Ap > Ac > Ab
Aluminio: 4 > 2 > 1
1050 mm2 > 529 mm2 > 283.285 mm2
[2] D. M. Stefanescu, Science and Engineering of Casting Solidification, Second Edition, (2009).
Dimensiones [mm]
Condiciones iniciales y de borde
Aire a T=25ºC
Densidad (ρ) = 1.225 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 1.7894x kg/(m s)
Aluminio a T = 860ºC
Densidad (ρ) = 2650.0 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 0.003233 kg/(m s)
Propiedades [3]
• Proceso transiente e isotérmico
• Fluidos Newtonianos
• Flujo turbulento
• Paredes deslizantes
Supuestos
[3] M. Cruchaga y D. J. Celentano, “A finite element thermally coupled flow formulation for phase-change problems”, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Vol 34, pp. 279–305 (2000).
�� ����
� �
���
μ
� 21800 3000
� � 0.019�� � 0.019�
Modelo matemático
Continuidad Momento lineal en x,y,z
VOF [4]
Propiedades
Fracción de volumen α
[4] C. W. Hirt y B. D. Nichols: “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries”, J. of Computational Physics, Vol 39, pp. 201-225 (1981).
Discretización espacial y temporalDiscretización espacial
Llenado inferior Llenado medio Llenado superior
168.559 volúmenes239.737 nodos
Discretización temporal 0.001
Skewness Aspect ratio
0(Perfect) 1(Worst)
< 0.9 [5] < 40 [5]
[5] D. M. Stefanescu: “Science and Engineering of Casting Solidification”, Second Edition, Vol. 4, pp. 52–54 (2009).
Implementación computacional
Método
Algoritmo de acoplamiento
Superficie libre
Presión
Términos convectivos
Fracción de volumen
MVF
PISO
VOF
Presto
Power Law
CICSAM
Factores de Subrrelajación
Convergencia 0.001 PC Intel Core i5
2.5 GHz
6 GB de RAM
4 procesadores en paralelo
Validación parcial de los resultados
Wukovici y Metevelis (1989) [2]
Upadhya y Paul (1993) [2]
Literatura [2]
= 21.16 s
= 16.314 s
= 15.179 s
[2] D. M. Stefanescu: “Science and Engineering of Casting Solidification”, Second Edition, Vol. 4, pp. 52–54 (2009).
Validación parcial de los resultados
0
5
10
15
20
25
30
0,09 0,12 0,15 0,18
Tie
mp
o (
s)
Altura (m)
Llenado inferior Wukovici y Metevelis
0
5
10
15
20
25
0,09 0,12 0,15 0,18
Tie
mp
o (
s)
Altura (m)
Llenado zona media Upadhya y Paul
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0,09 0,12 0,15 0,18
Tie
mp
o (
s)
Altura (m)
Llenado superior Análisis empírico
Resultados Caso 2: Interfase móvil
Interfase con oscilaciones
4.3 s
Formación de burbujas
1.8 s
Gotas frías
25.0 s 21.0 s
7.5 s
Burbujas
20.0 s
Interfase con oscilaciones
15.2 s
Caída brusca
10.0 s
Llenado inferior Llenado medio
1.5 s
Llenado superior
Resultados Caso 2: Velocidad de ingreso
4.3 s
1.5 s
25.0 s21.0 s
7.5 s
1.8 s
20.0 s
15.2 s
10.0 sVel. [m/s]Vel. [m/s]
Vel. [m/s]
Llenado inferior Llenado medio Llenado superior
Conclusiones P1: Llenado de moldes
• Simulación computacional permite revisar el diseño de sistemas de alimentación
de moldes de alimentación, para lograr una pieza libre de defectos.
� Usar Fluent+VOF, modelo 3D, 300.000 nodos, ∆t=0.001s; tcpu o(120 horas)
• Llenado superior es más rápido y permite aumentar la productividad (20s).
� Interfase metal fundido-aire con oscilaciones (origina defectos).
• Llenado inferior: interfase libre de oscilaciones.
�El llenado es el más lento (25s).
• Calidad de la pieza y productividad
�Llenado por la zona media (21s).
Caso 3. Validación fluido-fluido-estructura
Situación Física
Discretización espacial
573.314 volúmenes622.156 nodos
Propiedades
Aire a T=25ºC
Densidad (ρ) = 1.225 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 1.7894e-05 kg/(m s)
Agua a T = 25ºC
Densidad (ρ) = 998.2 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 0.001003 kg/(m s)
Discretización temporal
Paso de tiempo = 0.001s.
Iteraciones máximas por paso de tiempo = 100
Resultados: Validación y verificación
Datos comparativos
t = 0.21 s
t = 0.42 s
t = 0.63 s
Presente trabajo Răzvan Bidoae [6]
[6] R. Bidoae: “Numerical Simulation of immiscible liquids in the vicinity of the free surface”, The 6th
International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics, Romania, pp. 587-593 (2004).
Caso 4. Descripción del problema
Bahía de Coquimbo (Chile)
Área de estudio
Estructura El Faro de La Serena• Altura = 26.5 (m)
• Base = 37 x 36.8 (m)
Caso 4. Descripción del problema
Perfil de la playa
Batimetría
Faro de La Serena
15m
50m
12m
100m
88m
200m
20m150m
150mSituación Física
Perfil de la playa [7]
Batimetría [7]
[7] C. Villagrán y M.V. Soto: “Dinámica costera en el sistema de bahías comprendidas entre Ensenada Los Choros y Bahía Tongoy”, Memoria para optar al título de geógrafo: Universidad de Chile, Facultad de
Arquitectura y Urbanismo, Chile (2007).
Metodología
• Se resuelve un caso asintótico encontrado en la literatura para verificar y validar la
metodología de trabajo comparándolo con resultados experimentales y
simulaciones computacionales de otros autores.
• Aplicando el programa comercial ANSYS/FLUENT con MVF y la técnica VOF.
VOF
Volumen de control
Condiciones iniciales y de borde
Symmetry
Symmetry
Slipwall
Slipwall
Slipwall
Slipwall
Pressure outlet
Dominio Computacional
150m 11m 33m 30m 26m 150m 100m
30m
30m
5m
20m23m
Nivel del mar
Propiedades
Aire a T=25ºC
Densidad (ρ) = 1.225 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 1.7894e-05 kg/(m s)
Agua a T = 25ºC
Densidad (ρ) = 998.2 kg/m³
Viscosidad dinámica (µ) = 0.001003 kg/(m s)
• Proceso transiente e isotérmico
• Fluidos Newtonianos
• Flujo turbulento
• Paredes deslizantes
Supuestos
Modelo matemático
Continuidad Momento lineal en x,y,z
VOF [4]
Propiedades
Fracción de volumen α
[4] C. W. Hirt y B. D. Nichols: “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries”, J. of Computational Physics, Vol 39, pp. 201-225 (1981).
Discretización espacial y temporal
Discretización espacial
1.862.963 nodos1.338.574 volúmenes
Paso de tiempo = 0.001s, 0s < t < 2s
Paso de tiempo = 0.005s, 2s < t < 10s
Paso de tiempo = 0.01s, 10s < t < 30s
Iteraciones máximas = 100
Discretización temporal
Implementación computacional
Método
Algoritmo de acoplamiento
Superficie libre
Presión
Términos convectivos
Fracción de volumen
MVF
PISO
VOF
Presto
Power Law
CICSAM
Factores de Subrrelajación
Convergencia 0.001 PC Intel Core i5
2.5 GHz
6 GB de RAM
4 procesadores en paralelo
Resultados Caso 4
t = 4 s
t = 12 s
t = 20 s
t = 27 s
Interfase móvil Literatura [8]
[8] http://cmcbpsanchez.jimdo.com/introducci%C3%B3n/qu%C3%A9-es-un-tsunami/
Resultados Caso 4Presión Dinámica [kPa]
0 15 30 45 60 75 90 105 130 145 150
t = 4 s
t = 12 s
t = 20 s
t = 27 s
0
2.000.000
4.000.000
6.000.000
8.000.000
10.000.000
12.000.000
14.000.000
16.000.000
18.000.000
20.000.000
0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 28 30
Fuer
za [
N]
Tiempo [s]
Faro
Fuerza sobre la estructura
18 MN
Fuerza del viento
Fuerza debido a la ola
Resultados Caso 4
t = 4 s
t = 12 s
t = 20 s
t = 27 s
Magnitud de velocidad [m/s]
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25
Velocidad [m/s] 220 140 40 15 Batimetría [m] 6000 2000 200 20
Literatura [9]
[9] http://www.klimaforschung.net/tsunami/
Conclusiones
• Modelo de simulación incluye: batimetría, perfil de la playa, velocidad del viento y
geometría de la estructura (Faro de La Serena), para tsunami con una ola de 15
m de altura.
• El valor máximo de la fuerza sobre la estructura
es de 18 [MN], en t=23s.
• La velocidad en la superficie libre es de 12.5 [m/s] (45 [km/hr]), valor que
corresponde a la velocidad real reportada la literatura, para cuando un tsunami
llega al borde costero.
• Simulaciones efectuadas con Ansys/Fluent + VOF, malla de 1.800.000 nodos,
pasos de tiempo variables (0.001<∆t<0.01s). Tcpu=480 horas.
Tabla Resumen [10]
[10] D. Garrido: “Predicción del avance de interfases móviles con método VOF y ANSYS/Fluent”, Trabajo de título de Ingeniería Civil Mecánica, Universidad de La Serena (2012).
Caso Análisis FlujoPaso de
tiempoMalla
Tiempo de
cálculo
Caso 1. Molde con forma de S 2D laminar 0.01s 2.401 nodos 18 minutos
Caso 2. Molde por gravedad con
ingreso inferior3D turbulento 0.001s 239.737 nodos 192 horas
Caso 2. Molde por gravedad con
ingreso zona media3D turbulento 0.001s 239.737 nodos 134 horas
Caso 2. Molde por gravedad con
ingreso superior3D turbulento 0.001s 239.737 nodos 144 horas
Caso 3. Validación fluido-fluido-
estructura3D turbulento 0.001s 622.156 nodos 30 horas
Caso 4. Faro con batimetría y perfil
de playa3D turbulento 0.001s 1.862.963 nodos 480 horas
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