REVISIÓN

Dinámica de Fluido Computacional: Revisión y análisis de las aplicaciones en la ingeniería

Ing. Yusniel Cruz Gavilan^I  , Dr.C. Pedro A. Valdés Hernández^{II  *}  , MSc. Alexander Laffita Leyva^II  , MSc. María Victoria Gómez Águila^III  , Ing. Carmen María Chuairey^II 

^IEmpresa de Beneficio y Acopio del Tabaco Minas, MINAG, Pinar del Río, Cuba.

^IIUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

^IIIUniversidad Autónoma Chapingo, Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola, Chapingo, Texcoco, México.

RESUMEN

El desarrollo de las herramientas profesionales como el SOLIDWORKS, ANSYS, han permitido incrementar significativamente los campos de aplicación de la simulación y especialmente la Dinámica de Fluido Computacional (CFD) en las ingenierías. El objetivo del trabajo consistió en Realizar una revisión y análisis de las aplicaciones de la Dinámica de Fluido Computacional, en el campo de las Ingenierías, pero haciendo mayor énfasis en la Ingeniería Agrícola. En el análisis se exponen las prestaciones de la Dinámica de Fluido Computacional en la Ingeniería en general, como son: en los equipos termomecánicos; equipos e instalaciones eléctricas; equipos y conjuntos electrónicos; en ventilación industrial y de edificios; en turbomaquinaria; en la industria del automóvil y de la maquinaria agrícola e invernaderos. Se identifican tres campos de aplicación fundamentales: simulación de dichos equipos, con el fin de lograr parámetros de operación y diseños más racionales; mejoras en el diseño y estructura de equipos, al poder evaluar un amplio abanico de opciones de diseño y simulación de procesos, con o sin transiciones de fase, interacciones sólido-fluido, entre otras. En cuanto a las investigaciones realizadas se destacan en relación con la Ingeniería Agrícola, el análisis teórico y por elementos finitos de las pérdidas de carga en un sistema de riego de pivote central; en bombas centrifugas; el efecto del viento en el flujo de aire de pulverizadores agrícolas y estudios del clima en invernaderos.

Palabras-clave: ingeniería agrícola; simulación de procesos; diseño racional

INTRODUCCIÓN

El desarrollo de los sistemas CAD avanzados, ha permitido incrementar los campos de aplicación de la Ingeniería de Simulación y especialmente la Dinámica de Fluido Computacional (CFD). Este método constituye una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos. El hecho de que la CFD se haya desarrollado más tarde que otros CAD, como los utilizados para el análisis de tensiones térmicas, es debido a las dificultades inherentes que se presentan en las ecuaciones que describen el flujo de fluidos. Hoy en día, con las enormes posibilidades de los ordenadores y los desarrollos de los métodos numéricos, la CFD se está convirtiendo en una herramienta muy práctica y eficiente para el análisis de situaciones en las que estén involucrados fluidos y por consiguiente, en una inestimable herramienta de análisis y diseño. Los ordenadores son utilizados para realizar millones de cálculos requeridos para simular la interacción de los líquidos y los gases con superficies complejas proyectadas por la ingeniería. Todo esto significa que la CFD ya no debe contemplarse como una herramienta utilizada en universidades y centros de investigación por especialistas altamente calificados, sino que es ya empleada en numerosas industrias. Aun con ecuaciones simplificadas y superordenadores de alto rendimiento, solo se pueden alcanzar resultados aproximados en muchos casos. La continua investigación, sin embargo, permite la incorporación de software, que aumenta la velocidad de cálculo, así como disminuye el margen de error, al tiempo que permite analizar situaciones cada vez más complejas como los fluidos transónicos y los flujos turbulentos. La verificación de los datos obtenidos por CFD suele ser realizada en túneles de viento u otros modelos físicos a escala. Dicho método discretiza una región del espacio creando lo que se conoce por una malla espacial, dividiendo una región del espacio en pequeños volúmenes de control. Después se resuelve en cada uno de ellos las ecuaciones de conservación discretizadas, de la misma forma que en la realidad se resuelve una matriz algebraica en cada celda de forma iterativa hasta que el residuo es suficientemente pequeño, según ^{Fujun (2004)}.

A nivel nacional e internacional se han desarrollado múltiples investigaciones relacionadas con la CFD, dentro de las cuales se presentan las realizadas por ^{Toneva et al. (2011)}; ^{Chuanzhong et al. (2012)} y ^{Lisowski et al. (2012)}, que realizan desarrollo de un molino de martillo con dispositivos de tamizado o cribas; la caracterización del flujo en una fase, durante el molinado en un molino clasificador de aire; el movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante, para mediciones con maíz y simulación numérica, respectivamente. Además ^{Coussirat et al. (2012)}, realiza estudio mediante CFD de la interacción rotor-estator en una bomba centrífuga con difusor, así como ^{Lisiuk et al. (2007)}, realiza un análisis teórico y por elementos finitos de las pérdidas de carga en un sistema de riego de pivote central; ^{Salcedo et al. (2017)}, introduce la dinámica de fluidos computacional en el análisis de flujos en medio poroso y ^{García et al. (2018)}, evalúa el proceso de sedimentación de partículas discretas en flujo turbulento.

Por otro lado, Herrera et al. (²⁰⁰⁶, ²⁰¹², ²⁰¹³, ²⁰¹⁴, ²⁰¹⁵) y ^{Endalew et al. (2010)}, realizan investigaciones sobre la modelación y simulación mediante la dinámica de flujo computacional de la corriente de aire de un pulverizador, analizando el efecto de la velocidad del viento en el desempeño de los pulverizadores agrícolas de ventilador, por otro lado, además realizan análisis de la aerodinámica del ventilador del pulverizador ASS-800 empleado en frutales.

Durante la revisión realizada se pudo constatar que no existen trabajos relacionados con la aplicación de la CFD en las maquinas picadoras de forraje, por tanto se presenta como objetivo: Realizar una revisión y análisis de las aplicaciones de la Dinámica de Fluido Computacional, en el campo de las Ingenierías, pero haciendo mayor énfasis en la Ingeniería Agrícola, estableciendo los criterios necesarios para la diversificación de su empleo en la ingeniería agrícola, para su aplicación en el perfeccionamiento del diseño de la torre de descarga de una maquina picadora de forraje; este trabajo se encuentra asociado al proyecto de investigación titulado: Desarrollo de un módulo de máquinas para la producción de alimento animal a partir de diferentes cultivos, perteneciente al Programa Nacional de Alimento Animal.

DESARROLLO DEL TEMA

Posibles aplicaciones de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)

La CFD puede ser muy útil en un amplio espectro de industrias y puede representar una poderosa ayuda al ingeniero de diseño, de producción e incluso de mantenimiento. Se está utilizando en sectores tan variados como la industria química, aeroespacial, metalúrgica, eléctrica, de transformados metálicos, etc. Es también ampliamente utilizada en el estudio de edificios, para predecir el movimiento de aire y el confort, así como para analizar fenómenos termo - fluídicos en el medioambiente, como dispersión de contaminantes en la atmósfera, o de vertidos en los ríos, según ^{Barazal y Sala (2019)}, básicamente son tres los tipos de problemas que se pueden resolver:

1. Simulación de un equipo existente, con el fin de evaluar cambios en su operación o en su diseño (ahorros de energía, mejoras en la calidad del producto, mejoras medioambientales), o para diagnosticar problemas operacionales.

2. Mejoras en el diseño de equipos, pudiéndose evaluar un amplio abanico de opciones de diseño, incrementándose así las posibilidades para la innovación tecnológica.

3. Simulación de procesos, con o sin transiciones de fase, interacciones sólido-fluido, etc.

Aplicaciones de la CFD en equipos termomécanicos

El software existente de Dinámica de Fluidos Computacional puede ser utilizado para la simulación numérica de los procesos de flujo de fluidos, mezclado, combustión, transporte de calor y masa, etc.

Las principales aplicaciones de la CFD en equipos y sistemas son: 1. Diagnósticos con predicción de flujos de calor, campos de velocidades y temperaturas en conductos de gases, tuberías de líquidos y cambiadores de calor; 2. Diagnósticos con predicción de flujos de calor, campos de velocidades y temperaturas en cámaras de combustión, calderas y hornos; 3. Análisis de flujos en ciclones, separadores, etc.; 4. Diseño de componentes de plantas de tratamiento de aguas residuales y aguas limpias; 5. Diseño de quemadores en general, quemadores de bajo NOx, válvulas y otros equipos auxiliares.

Aplicaciones de la CFD en equipos e instalaciones eléctricas

Permite determinar los campos de temperatura y flujos de calor, con el fin de optimizar la evacuación de calor en equipos, redes, tendidos y cuadros, así como determinar las repercusiones que de ello se derivan. Los campos principales de aplicación son: 1. Cuadros eléctricos y armarios de mando y control; 2. Motores y alternadores, con la posibilidad de un conocimiento detallado del flujo de aire, del balance térmico y de la eficiencia del enfriamiento de la máquina; 3. Diseño del sistema de ventilación de CT y locales con alta densidad de cableado y aparatos eléctricos; 4. Asesoramiento en los aspectos térmicos en el diseño de equipos e instalaciones eléctricas; 5. Líneas eléctricas con responsabilidad.

Aplicaciones de la CFD en equipos y conjuntos electrónicos

La CFD es empleada para determinar los campos de temperatura y flujos de calor, con el fin de optimizar la evacuación del calor en equipos y componentes electrónicos, así como para valorar las repercusiones que de ello se derivan, especialmente en el funcionamiento y duración. Las aplicaciones principales son: 1. Estudios de la fatiga térmica de los materiales; 2. Control de ruido y vibraciones; 3. Ventilación de salas de comunicaciones y de cableado; 4. Consultoría en el diseño de sistemas de enfriamiento de equipos y componentes electrónicos.

Aplicaciones de la CFD en ventilación industrial y de edificios

La CFD permite realizar el análisis y simulación de la distribución del aire y sus contaminantes, tanto en edificios comerciales y residenciales como en naves y pabellones industriales. Las principales aplicaciones en este campo son:

1. Diseño del sistema de ventilación; 2. Definición del flujo de aire en las habitaciones y optimización de la disposición de los difusores; 3. Estudios de movimiento del humo en caso de incendios y evaluación de los sistemas de evacuación; 4. Estudios de propagación de fuego y diseño del sistema contraincendios; 5. Asesoramientos en proyectos de ventilación, calefacción y aire acondicionado; 6. Determinación de la contaminación ambiental en el puesto de trabajo; 7. Diseño del sistema de ventilación de salas de máquinas; 8. Definición de la calidad del aire interior.

Aplicaciones de la CFD en turbomáquinarias

Se utiliza el software de CFD para analizar el flujo de líquido, gas o vapor a su paso a través de los álabes y de los diferentes componentes de la turbo máquina, con el fin de diagnosticar problemas operacionales o conseguir mejoras en el diseño. Entre los principales campos de aplicación podemos citar: 1. Diseños optimizados de bombas, considerando el flujo en 3D en condiciones no nominales, con visualización de las zonas de cavitación; 2. Diseño de pequeñas turbinas hidráulicas, teniendo en cuenta en cada caso sus particulares exigencias; 3. Mejoras en los diseños de turbinas de vapor, optimizando la geometría de los álabes, así como de la carcasa, cierres de laberinto; 4. Diseño de compresores centrífugos y axiales.

Aplicaciones de la CFD en la industria del automóvil

La CFD permite un acceso directo a datos que no se pueden medir directamente, así como a una visualización de las estructuras transitorias del flujo. Todo ello posibilita un análisis de las modificaciones propuestas, antes de realizar el proyecto. Las aplicaciones más interesantes en este sector son: 1. Aerodinámica externa; 2. Sistema de ventilación; 3. Refrigeración del motor; 4. Válvulas; 5. Sistema de escape; 6. Refrigeración de los frenos; 7. Filtros.

En estas aplicaciones expuestas por el autor antes mencionado, se debe incorporar su empleo también en las maquinas agropecuarias con las posibilidades muy similares a la industria automovilística, incorporando los equipos e implementos agrícolas con empleo de fluidos en su proceso tecnológico.

Análisis de investigaciones desarrolladas aplicando la CFD en la ingeniería

Varias investigaciones han sido realizadas en este campo, según ^{Lisiuk et al. (2007)}, hace un análisis teórico y por elementos finitos de las pérdidas de carga en un sistema de riego de pivote central con cuello de cisne, según la Figura 1a, que se muestran las velocidades en dicho sistema de riego de forma más detallada. En la misma, el flujo se acelera al entrar al conducto sobre la base frontal, mientras se produce una zona de baja velocidad en la parte anterior de la base del cuello, este gradiente de velocidades produce una concentración de efectos viscosos generando grandes pérdidas de carga en la zona de entrada del cuello de cisne, el perfil de velocidades en forma transversal en esa zona, nótese como en una pequeña sección de 1,9 cm, la velocidad varía entre 0,2 a 1,2 m/s. Además, se destaca que el perfil de velocidades en la salida del cuello de cisne no es uniforme, sino que se encuentra desplazado hacia la pared externa.

En la Figura 1b se aprecia la distribución de presiones a lo largo de todo el conducto. Se puede ver una pequeña zona de alta presión cuando el flujo incide sobre el borde de la entrada del cuello de cisne, a su vez cómo se produce un centro de baja presión en la parte anterior de la entrada del cuello, zona de flujo desprendido, transformándose en dicha zona energía de presión en energía cinética, ver como las presiones aumentan hacia la cara externa de la curva del cuello debido a los esfuerzos centrífugos.

FIGURA 1 Sistema de riego de pivote central con cuello de cisne. a) Velocidades 3D completa y b) Distribución de presiones simulación 3D. 

^{Oro (2012)} y ^{Rubiano (2018)}, realizan sendas investigaciones aplicando la CFD en bombas centrífugas. Desarrollando la interacción rotor-estator en una bomba centrífuga sin y con difusor, con su diseño óptimo, con el fin de identificar y estudiar la posible amplificación de las fluctuaciones de presión dentro de la máquina (RSI). En la Figura 2 se muestra la aplicación de la CFD en bombas centrífugas. a) Presión estática en el rodete y zona del corta-agua (caudal nominal) y b) Distribución de presión.

FIGURA 2 Aplicación de la CFD en bombas centrífugas. a) Presión estática en el rodete yzona del corta-agua (caudal nominal), b) Distribución de presión. 

Herrera et al. (²⁰⁰⁶, ²⁰¹², ²⁰¹³, ²⁰¹⁴, ²⁰¹⁵), realizan investigaciones sobre la modelación y simulación mediante la dinámica de flujo computacional de la corriente de aire de un pulverizador, analizando el efecto de la velocidad del viento en el desempeño de los pulverizadores agrícolas de ventilador, por otro lado, además realizan análisis de la aerodinámica del ventilador del pulverizador ASS-800 empleado en frutales. El perfil de velocidad osciló de 4 a 34 m/s.

En la Figura 3, se muestra la corriente de aire modelada por dinámica de fluidos computacional en el programa ANSYS 5.3, en la misma se muestra que a la distancia de 0,8 m de la salida del ventilador, ocurre una pequeña desviación de la corriente, esto se debe a la no uniformidad en la distribución de la velocidad del aire a la salida del ventilador, la velocidad se encuentra concentrada en un cono de 0,8 a 1,6 m de longitud máxima, que el cono se desgasta, siendo esta una zona de transición donde la distribución de la velocidad es gaussiana. Al sobrepasar los 1,6 m de distancia esta rectifica la dirección y termina el desgaste del cono central de velocidad de la corriente, presentando esta, otro tipo de perfil.

FIGURA 3 Distribución de velocidades del pulverizador HATSUTA 420 modelada en CFD. 

En la Figura 4 se observan las gráficas de la corriente de aire modeladas en CFD para los distintos regímenes de trabajo a estudiar; en la gráfica (a) el pulverizador sin movimiento y de la (b) a la (d) la maquina pulverizadora a una velocidad de 3,6 km/h y un viento de velocidad 5 m/s en dirección contraria al movimiento del pulverizador, formando ángulos de 30^o, 45^o y 60^o con respecto a este, respectivamente.

FIGURA 4 Distribución de velocidades de la corriente de aire del pulverizador ASS 800 en los distintos regímenes de trabajo modelados en CFD 

Leyenda: a) sin movimiento; b) con velocidad del pulverizador de 3,6 km/h y una velocidad del viento de 5 m^.s^-1 formando ángulos de 30^o; c) con iguales velocidades, pero formando ángulos de 45^o; d) con iguales velocidades, pero formando ángulos de 60^o.

En la Figura 5 se muestra el comportamiento del flujo de aire del pulverizador en diferentes direcciones y velocidades del viento: a) el flujo de aire del pulverizador con viento en dirección a 90^o y velocidades de 1, 3 y 5 m·s^-1y b) flujo de aire del pulverizador con velocidad del viento 5 m^.s^-1 y dirección de 45^o, 90^o, 135^o y 180^o.

FIGURA 5 Comportamiento del flujo de aire del pulverizador en diferentes direcciones y velocidades del viento: a) el flujo de aire del pulverizador con viento en dirección a 90^o y velocidades de 1, 3 y 5 m·s^-1y b) flujo de aire del pulverizador con velocidad del viento 5 m^.s^-1 y dirección de 45^o, 90^o, 135^o y 180^o. 

^{Salcedo et al. (2017)}, realizan una introducción de la dinámica de fluido computacional en la modelación de un fluido atravesando un medio poroso. Para ello, se propone un caso práctico mediante la simulación de un flujo de aire producido por el ventilador de un pulverizador hidráulico asistido por aire que atraviesa un medio poroso (la vegetación). El trabajo consiste en dotar de las herramientas necesarias para configurar un modelo CFD para, posteriormente, ajustar la resistencia de la porosidad al paso de la corriente usando datos experimentales. El ajuste contempla tres casos: 1- considerando solo pérdidas inerciales iguales entre los diferentes cuerpos porosos, 2- considerando dichas pérdidas inerciales más las pérdidas viscosas y 3- considerando solo perdidas inerciales diferentes entre los diferentes cuerpos porosos, según las Figuras 6a, b y c respectivamente.

FIGURA 6 Simulación de un fluido atravesando un medio poroso. a) Diagrama de módulo de velocidades del caso 1, b) Diagrama de módulo de velocidades del caso 2, c) Diagrama de módulo de velocidades del caso 3. 

^{Toneva et al. (2011)} y ^{Chuanzhong et al. (2012)}, realizan el desarrollo de un molino de martillos con dispositivo de tamizado, según las Figuras 7a y 7b que muestran el diseño y construcción del tamizado y la simulación de la distribución del flujo de aire con la aplicación de la CFD, para determinar la curva de montaje adecuada del tamiz y la simulación numérica del flujo de aire en el tubo de transporte de las partículas.

FIGURA 7 Simulación de molino de martillos con dispositivo de tamizado. a) Diseño del dispositivo de tamizado, b) Distribución del flujo de aire por CFD. 

^{Brazee et al. (1998)}, realizan un estudio sobre las pérdidas provocadas por pulverizadores hidroneumáticos en fruticultura, con el análisis del efecto de la variación del ancho del difusor de salida del ventilador en la aerodinámica del flujo de aire durante el proceso de trabajo a distintas velocidades de movimiento del pulverizador. Se realizaron evaluaciones con sendos anchos en la salida del difusor del ventilador de 115 y 150 mm, se consideró el pulverizador sin movimiento y velocidades de trabajo de 2,18; 4,5 y 6,35 km/h, como variables respuestas se analizará la desviación y alcance del flujo de aire a través de la interpretación de los gráficos de velocidad, asimismo estudio similar realiza ^{Boné et al. (2014)}, durante la caracterización del flujo de aire generado por pulverizadores hidroneumáticos.

^{Endalew et al. (2010)}, desarrollaron un modelo integrado de dinámica de fluidos computacional (CFD) en 3D del flujo de aire desde un pulverizador de huerto de flujo cruzado asistido por aire de dos ventiladores a través de perales de huerto sin hojas de 3 m de altura promedio

^{Falcinelli (2004)}, realiza la simulación por CFD de la acción de vientos sobre tanques para distintas topografías. En este trabajo se presenta un análisis numérico por medio de dinámica de fluido computacional (CFD) del campo de movimiento alrededor de un tanque metálico con el objetivo de obtener la distribución de presiones de viento sobre el mismo.

^{Lisowski et al. (2012)}, analizan el movimiento de material picado en la boca de descarga de la cosechadora de forraje con una unidad de corte de volante, realizando la aplicación de la dinámica de fluido computacional, en una configuración de boquilla, utilizando el software Fluent v. 6.2. El trabajo consistió en la caracterización del movimiento del aire y del material cortado en la boquilla de descarga de una cosechadora de forraje, y se determinó la velocidad, con cambios en la forma, la velocidad de rotación del cabezal de corte, el número de cuchillas y la cantidad de material vegetal de maíz alimentado a la unidad de corte del volante.

^{Cao y Li (2011)}, analizaron mediante la CFD, el campo de flujo de aire tridimensional en un molino, empleando el programa de computación Fluent v. 6.3. Luego, los resultados simulados de las velocidades del flujo de aire fueron comparados con el obtenido por pruebas para validar los resultados de la simulación numérica.

Por otro lado, varios autores han incursionado en la simulación del flujo en invernaderos como ^{Flores et al. (2011)}; ^{Shah et al. (2013)}; ^{Espinal et al. (2015)} y Villagran et al., (^2018a, ^2018b). Realizan investigaciones sobre el comportamiento térmico en invernaderos espacial colombiano en condiciones de clima diurno y nocturno, así como construido en ladera; también analizan el diseño y evaluación climática en invernaderos para condiciones de clima intertropical de montaña, asimismo un análisis climático de un invernadero cenital de tres naves sin cultivo y con ventilación forzada respectivamente, con vista a obtener los patrones de distribución térmica en el interior del invernadero, en las condiciones me teorológicas establecidas, para el desarrollo adecuado de los cultivos.

^{García (2018)}, evalúa el proceso de sedimentación de partículas discretas en flujo turbulento. En las minihidroeléctricas sin desarenador, frecuentemente presentan tupición de las toberas, y para ello se crea un dispositivo que se conecta a la tubería de alta presión, en esta investigación se emplea el Solidworks para simular el comportamiento del perfil de velocidades de las líneas de corriente del flujo de agua, según Figura 8 y el Runge Kutta 2 para la simulación del movimiento de las partículas (piedras). Se demuestra que el dispositivo evita la tupición de las toberas por las piedras, llegando a la conclusión de que el proceso de sedimentación en flujo turbulento, ocurre en partículas de diámetro ≥ 2 mm. Además, ^{Nieto et al. (2004)}, realizan un estudio dirigido a la aplicación de la dinámica de fluidos computacional en regeneradores térmicos.

FIGURA 8 Comportamiento del perfil de velocidades del flujo de agua en el dispositivo aplicando CFD. 

CONCLUSIONES

Durante la revisión se pudo constatar lo siguiente:

• Las altas potencialidades y diversidad en la aplicación de CFD, que constituye una herramienta que puede resolver problemas de elevada complejidad, con la predicción del perfil de velocidades, de presión y estudios de la aerodinámica, con múltiples usos en la ingeniería de forma general y en particular en la Ingeniería Agrícola, siendo una inestimable herramienta de análisis y simulación, dirigida al perfeccionamiento del diseño de disímiles máquinas y equipos.

• Que no existen trabajos relacionados con la aplicación de la CFD en las maquinas picadoras.

REFERENCES

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7The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the authors nor by the publisher.

Recibido: 18 de Diciembre de 2019; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020

^*Author for correspondence: Pedro A. Valdés Hernández, e-mail: [e-mail]