Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações da Mecânica de Fluidos. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

En este trabajo se muestra un estudio del comportamiento dinámico del flujo en bombas centrífugas. Más concretamente, se han realizado medidas experimentales y simulaciones numéricas orientadas a la investigación de la interacción dinámica entre el flujo saliente del rodete y el que se encuentra en la voluta.En el estudio experimental primeramente se han obtenido las características globales de funcionamiento de una bomba centrífuga con dos recortes del rodete. Después, mediante la utilización de transductores piezorresistivos y piezoeléctricos se han obtenido las distribuciones de presión en una posición radial en la voluta cercana a la salida del rodete y las fluctuaciones de presión en esa misma posición. Se ha estudiado la validez de los distintos resultados mediante el correspondiente análisis de incertidumbre.Las simulaciones numéricas se han llevado a cabo utilizando un programa basado en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes por medio de un algoritmo de volúmenes finitos, que define el flujo simultáneamente en rodete y voluta usando una técnica de mallado deslizante. La turbulencia se ha simulado por medio de un modelo k-ε stándar y los efectos de la capa límite a través de una ley de pared logarítmica. Se han realizado simulaciones bidimensionales tanto estacionarias como no estacionarias y además se ha generado un modelo tridimensional.La comparación de los resultados indica una gran aproximación de las simulaciones numéricas a la definición de los distintos fenómenos globales del funcionamiento de una bomba centrífuga. En concreto, el modelo tridimensional muestra resultados muy próximos a los experimentos en lo que se refiere a altura de elevación y eficiencia de la bomba ensayada. El modelo bidimensional también aproxima satisfactoriamente dichas curvas a pesar de sus inherentes limitaciones.Se han obtenido las distribuciones de presión alrededor de la voluta para los dos rodetes tanto numérica como experimentalmente, así como las fluctuaciones de presión, estudiándose principalmente los resultados a la frecuencia de paso de álabe. Los modelos numéricos reflejan correctamente los fenómenos y tendencias observados, aunque no se adaptan a los valores cuantitativos medidos experimentalmente.A partir de los trabajos numérico y experimental realizados se ha llegado a una comprensión más clara sobre cómo es la interacción del flujo entre el rodete y la voluta. También se ha llegado a conclusiones interesantes sobre el efecto que tiene la separación entre el rodete y la lengüeta en los esfuerzos tanto estacionarios como no estacionarios.Finalmente, se plantean posibles ampliaciones del trabajo abordables según se vaya aumentando la potencia de cálculo así como desarrollando de nuevas metodologías de medida. Se prevé que en un futuro próximo las modelizaciones numéricas hayan llegado a un grado de madurez tal que se conviertan en una herramienta imprescindible tanto para el diseño como para el análisis del flujo en bombas centrífugas.

Hoy en día las turbomáquinas están presentes en multitud de aplicaciones industriales y sociales, por lo que existe una continua demanda para mejorar sus prestaciones mediante diseños más eficaces. Además, es esencial que los nuevos diseños se encaminen también a reducir las emisiones sonoras de las turbomáquinas ya que tienen un fuerte impacto sobre la sociedad. Así, el ruido, considerado hasta hace poco como un subproducto inherente a las turbomáquinas, tiene que pasar a convertirse en un objetivo esencial e indispensable de las etapas de diseño de los nuevos prototipos. La mayor parte del ruido generado por turbomáquinas es de naturaleza aeroacústica, por lo que sólo mediante un conocimiento exhaustivo de los fenómenos fluildodinámicos que tienen lugar en el interior de las mismas se estará en disposición de detectar los mecanismos básicos de generación de ruido y de realizar las actuaciones pertinentes con vistas a reducir las consecuentes emisiones sonoras. Además, el conocimiento o aguas arriba de un rotor de nueve alábes, para distintas configuraciones de funcionamiento del mismo: dos gaps axiales entre stator y rotor, y tres caudales de funcionamiento diferentes. Los modelos numéricos son validados con resultados experimentales obtenidos a partir de una campaña de ensayos llevada a cabo en el ventilador mediante técnicas de anemometría térmica, transductores piezoeléctrios y micrófonos capacitados. Se dispone entonces de una herramienta que permite conocer y reducir, en la etapa de diseño, los niveles de ruido generados por una turbomáquina.

La creciente demanda de conseguir diseños cada vez más eficaces y de mayor rendimiento en la práctica totalidad de las aplicaciones de las turbomáquinas, conlleva la necesidad de un conocimiento más exhaustivo y preciso de los fenómenos fluidodinámicos que se están produciendo en el interior de las máquinas. Un breve repaso a la bibliografía especializada en esta disciplina, muestra claramente la complejidad inherente al estudio del flujo en el interior de una turbina, un compresor o un ventilador, donde las interacciones entre los elementos móviles de la máquina (rotor), el bloqueo del flujo o las no estacionariedades del patrón fluidodinámico, influyen enormemente en las prestaciones y el funcionamiento normal de dichas turbomáquinas. El proyecto de esta Tesis se engloba dentro de esa problemática y trata de aportar, mediante la aplicación de un modelo capaz de describir el comportamiento no estacionario de una etapa de una turbomáquina axial, una precisa descripción de la naturaleza y origen de la interacción de los diversos elementos que constituyen la máquina. Introduciendo en el análisis el concepto de "tensiones deterministas", se pretende caracterizar cualitativamente el mapa de velocidades del flujo, relacionándolo con los tiempos característicos de funcionamiento de la máquina. Yendo más allá de la aportación de una simple simulación según el clásico promedio de Reynolds, se pretende discernir y separar la contribución de cada elemento móvil, consiguiendo de esta forma una visión global del comportamiento de cada elemento sobre el resultado final de las prestaciones fluidodinámicas de la turbomáquina, con el objetivo de plantear mejoras sobre el diseño de los parámetros básicos de funcionamiento de dichas máquinasPartiendo de un modelo URANS con unas discretizaciones temporales y espaciales adecuadas, se ejecutará en un primer paso una simulación numérica que servirá como punto de partida para la posterior elaboración de unos promedios, en función de los tiempos característicos de los haces, con el propósito de la obtención del mapa completo de tensiones deterministas del flujo en el interior de la máquina. A posteriori se construirá, basándose en dichas tensiones, un modelo que devolverá, de forma desacoplada, la contribución de cada haz por separado en el campo fluidodinámico total. Esta metodología numérica se complementará a su vez con una serie de ensayos experimentales sobre un ventilador axial de una única etapa, con un estator que procede al haz móvil de la máquina. Dichos ensayos se realizarán utilizando técnicas de anemometría térmica y se tomarán medidas con vistas a contrastar los resultados numéricos, en un número de puntos lo suficientemente representativos como para obtener una adecuada descripción del campo fluidodinámico en el ventilador. Se pretende que dichos puntos de medida se planteen tanto en la dirección circunferencial como en la dirección radial y que a su vez, se realicen medidas en las entradas y salidas de cada haz de la máquina.

Los flujos con interfaces móviles (problemas de superficie libres y de dos fluidos) aparecen en numerosas aplicaciones de ingeniería. Los métodos presentados en esta tesis están orientados principalmente a la simulación del proceso de llenado de molde. Sin embargo la metodología es suficientemente general para ser aplicada a la mayoría de los flujos de superficie libres y de dos fluidos. El modelado numérico proporciona un modo eficiente de analizar los fenómenos físicos que ocurren durante procesos de inyección y fundición. Permite comprender detalles del flujo que de otra forma serían muy difíciles de observar.Se usa un método de elementos finitos de malla fija, donde la posición de interfaz es capturada por la función de Level Set. Los flujos a bajo número de Froude son particularmente desafiantes para los métodos de malla fija. Una representación precisa es necesaria en los elementos cortados por el frente. Se proponen dos alternativas. La primera alternativa usa el modelo de flujo de dos fases típico, enriqueciendo las funciones de forma de presión, para permitir una mejor aproximación de la discontinuidad en el gradiente de presión en la interfaz. La mejora de la representación del gradiente de presión es el ingrediente clave para el correcto modelado de tales flujos.La influencia del segundo fluido puede ser ignorada en una amplia variedad de aplicaciones para terminar con un modelo de superficie libre que es más simple que el modelo de flujo de dos fases. La discontinuidad en el gradiente de presión desaparece porque sólo se simula un fluido. La particularidad de este segundo método es que se usa una malla fija. Las condiciones de contorno son aplicadas exactamente usando integración mejorada e integrándose sólo en la parte llena de los elementos cortados por el frente. Se desarrolla un método ALE de malla fija para tener en cuenta correctamente que el dominio se mueve a pesar de que se usa una malla fija. Los métodos de segregación de presión son explorados como una alternativa a la discretización monolítica de las ecuaciones de Navier Stokes. Ellos desacoplan las incógnitas de velocidad y presión, conduciendo a subproblemas más pequeños y mejor condicionados. Los métodos de corrección de presión y corrección de velocidad son presentados y comparados numéricamente. Usando un Laplaciano discreto se obtiene un método de corrección de velocidad de tercer orden numéricamente estable.Los métodos son aplicados a problemas de llenado de moldes tridimensionales tomados directamente de la fundición con resultados muy satisfactorios. El modelo monolítico con superficial libre resulta ser la opción más robusta y eficiente. La comparación con un código comercial muestra la exactitud y la eficacia del método que proponemos. / Flows with moving interfaces (free surface and two-fluid interface problems) appear in numerous engineering applications. The methods presented in this thesis are oriented mainly to the simulation of mould filling process. Nevertheless the methodology is sufficiently general as to be applied to most free surface and two-fluid interface flows. Numerical modeling provides an efficient way of analyzing the physical phenomena that occur during casting and injection processes. It gives insight into details of the flow that would otherwise be difficult to observe.A fixed mesh finite element method, where the interface position is captured by the Level Set function, is used. Low Froude number flows are particularly challenging for fixed grid methods. An accurate representation is needed in the elements cut by the interface for such flows. Two alternatives are proposed.The first alternative is to use the typical two-phase flow model enriching the pressure shape functions so that the discontinuity in the pressure gradient at the interface can be better approximated. The improvement in the representation of the pressure gradient is shown to be the key to ingredient for the successful modeling of such flows.The influence of the second fluid can be neglected on a wide range of applications to end up with a free surface model that is simpler than the twophase flow model. The discontinuity in the pressure gradient disappears because only one fluid is simulated. The particularity of this second approach is that a fixed mesh is used. Boundary conditions are applied accurately using enhanced integration and integrating only in the filled part of cut elements.A fixed mesh ALE approach is developed to correctly take into account that the domain is moving despite a fixed mesh is used.Pressure segregation methods are explored as an alternative to the monolithic discretization of the Navier Stokes equations. They uncouple the velocity and pressure unknowns, leading to smaller and better conditioned subproblems. Pressure correction and velocity correction methods are presented and compared numerically. Using a discrete Laplacian a numerically stable third order velocity correction method is obtained.The methods are applied to three dimensional mould filling problems borrowed directly from the foundry with very satisfactory results. The free surface monolithic model turns out to be the most robust and efficient option. The comparison with a commercial code shows the accuracy and efficiency of the method we propose.

La convección es el proceso en el que los fluidos menos densos se elevan sobre otros más densos. Se encuentra presente en fenómenos naturales tan diversos como el almacenamiento natural de CO2, la propagación de ondas viajeras, y la formación de columnas de basalto. Por lo tanto, determinar las condiciones bajo las que se produce convección representa un desafío importante. La convección puede originarse por gradientes de densidad debidos a expansión térmica o a cambios de composición en los fluidos. Modelos anteriores y experimentos realizados en la reacción de iodatoácido arsenioso determinaron que los gradientes del primer tipo producen efectos insignificantes en comparación con los del segundo. Desarrollamos un modelo no-lineal para la propagación de frentes de reacción delgados en reacciones autocatalíticas que ocurren en un sistema bidimensional. Empleamos una ecuación de calor (adveccióndifusión) para determinar la distribución de temperaturas en el sistema, la ley de Darcy para determinar la velocidad de los fluidos, y la relación eikonal para describir la propagación de los frentes. Los efectos térmicos del modelo dan lugar a frentes planos, no-axisimétricos, y axisimétricos. Sometemos la solución de frente plano de nuestro sistema a un análisis lineal de estabilidad. Para ello introducimos perturbaciones pequeñas, obteniendo así un sistema lineal de ecuaciones para la evolución de dichas perturbaciones. Mediante este análisis determinamos las condiciones para el desarrollo de frentes convectivos. Resumimos estos resultados en el plano generado por nuestros parámetros de control — los números de Rayleigh — y sugerimos posibles usos para este modelo. / Tesis

A escala diaria, el viento es el principal agente externo que entrega la energía suficiente a un lago estratificado para generar el movimiento del fluido y mezclar la columna de agua. Bajo este escenario, la dinámica tridimensional del flujo puede ser correctamente representada mediante dos o más capas verticalmente acopladas, simplificación que ha permitido identificar una serie de fenómenos propios de flujos estratificados. Sin embargo, la característica multiescala de estos flujos limita su apropiada representación numérica o abstracción teórica, existiendo pocos trabajos científicos que abarquen toda la gama de escalas involucradas: desde las ondas de gran escala excitadas por el viento, hasta las pequeñas escalas dominadas por fenómenos nohidrostáticos. El objetivo de esta tesis es investigar la evolución nolineal y nohidrostática de las ondas internas en lagos estratificados cuya dinámica está afectada por la rotación terrestre. El trabajo se centró en estudiar el flujo en dos capas de lagos estratificados, combinando resultados de modelos numéricos específicamente diseñados para esta tesis, con un enfoque pseudo-espectral y mediciones en terreno. Como primera medida se estudió el caso simplificado de una cubeta circular de fondo plano, para posteriormente estudiar la dinámica de un lago real, el Lago Constance ubicado en la frontera entre Suiza y Alemania, para el que se cuenta con una base de datos proveniente de cadenas de termistores y estaciones meteorológicas. El análisis de la cubeta circular permitió identificar que la dinámica de cada una de las ondas continuamente forzadas por el viento puede asemejarse a un sistema oscilatorio de primer orden. La incorporación de los términos nolineales y nohidrostáticos eventualmente modifica esta dinámica oscilatoria, cuando la escala de tiempo de éstos es inferior a la escala de tiempo característica a la cual ocurren los intercambios de energía entre el cuerpo de agua y el viento. Adicionalmente, la manera en que evolucionan libremente las ondas de gran escala es dependiente de la onda en cuestión. Las ondas Kelvin evolucionan de igual forma a seiches en lagos pequeños, formándose un frente vertical donde las aceleraciones verticales dominan el flujo y excitan ondas tipo solitones pseudo-permanentes. Por el contrario, la evolución de la onda Poincaré está caracterizada por la radiación periódica de su energía hacia otros modos y su posterior restitución al modo original. Finalmente, la dinámica conjunta de las ondas Kelvin y Poincaré explica además, la excitación de ondas de menor escala. Estas características generales fueron también identificadas en el estudio del Lago Constance, cuya dinámica está gobernada por la rotación terrestre y los fenómenos nolineales y nohidrostáticos. Se mostró que la principal onda excitada por el viento es la onda Kelvin, que evoluciona de igual forma a la descrita para la cubeta circular. Adicionalmente, se identificó que la interacción entre ondas Kelvin y Poincaré excita trenes de ondas que atraviesan todo el cuerpo de agua, y que la interacción entre ondas excitadas por el viento permite energizar las ondas topográficas o geostróficas, que no necesariamente son excitadas directamente por el viento. Se concluye que la principal consecuencia de la dinámica nolineal y nohidrostática en lagos estratificados es que rompe con la coherencia espacial en toda la cubeta dada por procesos lineales, de manera que el flujo se caracteriza por la existencia de una serie de fenómenos locales de, por ejemplo, frentes verticales y alta velocidad del flujo. Consecuentemente, los fenómenos nolineales y nohidrostáticos fomentan localmente los procesos de mezcla vertical de la columna de agua, tales como: inestabilidades interfaciales dadas por altas velocidades del flujo y excitación de ondas nohidrostáticas de carácter permanente o cuasi-permanente que rompen al llegar a la orilla. Sin embargo, en términos de disipación de la energía, se postula a raíz de los resultados obtenidos en el lago Constance, que ésta se explica principalmente en la fricción con el fondo, la que responde también a aumentos localizados en la velocidad del flujo.

Ingeniero Civil Mecánico / El trabajo trata sobre el estudio de aneurismas cerebrales, siendo éste un punto o área débil en la pared de un vaso sanguíneo que se estira y/o abulta, formando una estructura con forma de saco o burbuja con una pared adelgazada que puede romperse y causar una hemorragia. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de las condiciones de borde en un modelo geométrico CAD de aneurisma cerebral mediante simulaciones CFD comparando los resultados de los casos simulados. Las condiciones de borde consideradas para el estudio son perfiles de velocidad parabólico y de Womersley, para la entrada y condiciones de presión, para la salida: atmosférica, constante, pulsante y modelo de Windkessel las cuales se ajustan a condiciones fisiológicas. Las simulaciones se realizaron en el software ANSYS 17.0 variando las condiciones de borde, realizando 8 casos No-Newtonianos y 1 caso Newtoniano. La simulación muestra que el comportamiento fluido dinámico se ajusta a lo reportado en la literatura, obteniéndose bajos esfuerzos de corte en la pared (WSS) del domo del aneurisma, siendo estos un orden de magnitud menor que en la pared arterial. Se obtienen WSS altos en la zona del cuello del aneurisma, siendo los esfuerzos en el domo un 98% menor que en el cuello. La magnitud de la velocidad es menor en el aneurisma registrándose una velocidad entre 54-68% menor en la parte superior del domo con respecto a la entrada del aneurisma. Las diferencias entre los casos simulados presentan diferencias menores al 3% en velocidad y diferencias menores al 10% para los WSS. El valor de Oscillatory Shear Index (OSI) muestra diferencias en su mayoría entre un 0-5% con respecto al caso base. Por su parte, la presión muestra diferencias altas debido a que el gradiente depende de la condición de salida, obteniéndose diferencias promedio de 85%, 28% y <2%, para los casos de presiones atmosférica, constante y pulsante, respectivamente al comparar con el modelo de Windkessel. Se concluye que las variables de velocidad, WSS y el OSI están dominadas por la velocidad de entrada. Las pequeñas diferencias obtenidas en estas variables indican que es posible simplificar el modelo en cuánto a la condición de presión, pudiendo usar cualquiera de las 4 utilizadas, recomendando usar la mas simple para así reducir el tiempo requerido para mediciones y análisis geométrico, reduciendo el tiempo total de análisis médicos.