ARTÍCULO ORIGINAL

Validación de un modelo experimental de simulación basado en Dinámica de Fluidos Computacional

MSc. Alexander Laffita-Leyva^I 

Dr.Cs. Arturo Martínez-Rodríguez^{I  *} 

Ing. Enmanuel Ávila-González^II 

MSc. Lázara Rangel-Montes de Oca^I 

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

^IIInstituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), Boyeros, La Habana, Cuba.

RESUMEN

Como parte de la ejecución de un proyecto de investigación dirigido a la determinación del efecto de vientos extremos sobre objetivos económicos agropecuarios, mediante la aplicación de mètodos de simulación basados en la Dinámica de Fluidos Computacional, que a su vez se sustenta en el análisis por elementos finitos, se efectuaron algunas corridas experimentales dirigidas a validar dicho método de simulación, así como los criterios empleados durante la conformación de los modelos y de las características del mallado de elementos finitos a aplicar. Para las mediciones experimentales se utilizó un túnel de viento construido en el Centro de Mecanización Agropecuaria de la Universidad Agraria de La Habana, el cual fue modelado en 3D con la herramienta computacional SolidWork 2018, efectuando la simulación mediante el módulo “Flow Simulation”. Para la aplicación experimental de los modelos de simulación empleados se compararon los resultados de mediciones experimentales de las presiones dentro del túnel de viento con las presiones determinadas mediante la simulación. Un campo de presiones variable en el espacio se logró interponiendo un obstáculo a la circulación del aire, dirigido a lograr diferentes niveles de presión en distintas secciones del túnel. Como resultado de la comparación se obtuvo un error de predicción de la simulación que osciló entre 0,53% y 2,07%, lo cual resultó sumamente satisfactorio.

Palabras clave: flujo de fluidos; simulación; elementos finitos

INTRODUCCIÓN

Los ciclones tropicales que se forman en el océano Atlántico y en el mar Caribe y sus proximidades, constituyen un peligro habitual para los países del área del Caribe. Anualmente, solo en esta área pueden producirse cerca de 20 depresiones tropicales, una buena parte de las cuales se desarrollan hasta las categorías de huracán, alcanzando vientos superiores a los 250 km/hr en el caso de huracanes de categoría V en la escala Saffir-Simpson. En la actualidad, por los efectos del cambio climático que sufre el planeta, así como por la influencia del fenómeno “El Niño”, con mayor frecuencia los huracanes alcanzan categorías III. IV o V, causando severas destrucciones en objetivos económicos, entre los que se encuentran las instalaciones agropecuarias y los propios cultivos.

Son agosto, septiembre y octubre los meses con mayor frecuencia de afectación en Cuba de perturbaciones ciclónicas y huracanes formados en el Mar Caribe, Golfo de México y Océano Atlántico Septentrional.

Los daños y pérdidas que sufre la agricultura cubana producto del embate de los huracanes son de gran magnitud y conllevan enormes esfuerzos para su recuperación.

De acuerdo a informaciones del Dpto. de Defensa y Defensa Civil del Ministerio de Agricultura citado por ^{Ríos (2017)}, solo el huracán Irma, que azotó a Cuba en septiembre de 2017 afectó 50 mil hectáreas de cultivos varios, de ellas 26 mil 915 hectáreas de plátano, la cuarta parte de las existentes en el país. Asimismo, de acuerdo a la misma fuente, se dañaron unas mil 900 hectáreas de arroz y cuatro mil 520 de café, viéndose dañados igualmente otros cultivos como la yuca y otras viandas y hortalizas. En el caso de la avicultura se reportaron daños en 383 naves, de las que 77 quedaron destruidas totalmente, ocurriendo numerosas muertes de aves, principalmente ponedoras. La fuerza del huracán hizo estragos además en en 500 vaquerías y naves de ganado mayor, provocando más de mil muertes de terneros y recrías. El embate de este huracán, afectó a las provincias de Holguín, Las Tunas, Camagüey, Ciego de Ávila, Sancti Spíritus, La Habana y Mayabeque.

El presidente del Grupo Empresarial Ganadero ha declarado ^{Figueredo y Romeo (2019)} que por sus características de naves abiertas de gran tamaño y cubiertas ligeras con decenas de años, la avicultura “se ha vista obligada prácticamente a renacer en reiteradas ocasiones” por el paso de diferentes eventos meteorológicos. Según esta misma fuente, la avicultura cubana cuenta con más de 400 unidades empresariales de base; de las cuales 289 son granjas de producción. 19 son granjas genéticas, 64 plantas de incubación, 75 granjas de reemplazo e inicio y 106 granjas de producción de huevos, además de 13 fábricas de pienso y 5 grandes almacenes para acumular los granos proteicos.

El huracán Gustav, que azotó al municipio de la Isla de la Juventud y a la provincia de Pinar del Río en agosto de 2008, afectó 63 naves avícolas y 3500 casas de tabaco.

El estudio del efecto de los vientos huracanados sobre determinados objetivos ha sido un tema complejo de abordar desde el punto de vista experimental, ya que sólo es posible reproducir estos fenómenos y sus efectos en túneles de viento de grandes proporciones y además aplicando técnicas de la teoría de semejanza y confección de maquetas de los objetivos a impactar por el viento.

Hoy en día, con los avances de la computación y la existencia de programas especializados en el análisis de dinámica de fluidos, basado en métodos numéricos de elementos finitos (CFD, Computational Fluid Dynamics), es posible abordar este tipo de estudio mediante la simulación numérica, con un alto grado de aproximación.

La investigación que se propone presenta un gran interés con vistas a evaluar el efecto de vientos huracanados sobre diferentes objetivos económicos, así como poder recomendar determinadas medidas de protección que puedan mitigar el efecto de dichos vientos.

En el caso de la agricultura, existen numerosos ejemplos de objetivos que pueden ser afectados por los vientos extremos, entre los cuales pueden mencionarse las casas de cultivo, las naves de cría de aves u otros animales, las naves de ordeño, las baterías de paneles fotovoltaicos destinados a la generación de electricidad y otros, destacándose además los propios sembrados que son afectados por la acción de los vientos.

El empleo de las herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional, aplicados a la simulación de la acción de los vientos sobre determinados objetivos, posibilitará obtener la distribución de presiones y fuerzas sobre éstos, bajo el impacto de vientos de diferente magnitud y dirección. Asimismo posibilitará evaluar la capacidad de mitigación de determinados elementos, tales como cortinas rompevientos, mejoras en el diseño de los objetivos u otros medios de protección.

La Dinámica de Fluidos Computacional constituye una valiosa herramienta para estudios de simulación de fluidos, por lo que ha sido empleada por diversos investigadores durante la realización de disímiles tareas relacionadas con el flujo de fluidos (^{Hofmann et al., 2001}; ^{Balbastro et al., 2004}; ^{Balbastro y Sonzogni, 2007}; ^{Xia et al., 2007}; ^{Gofran, 2008}; ^{Alexandrikova et al., 2011}; ^{Herrera et al., 2012}, ²⁰¹⁴; ^{Martínez et al., 2013}; ^{Herrera et al., 2014}, ²⁰¹⁵; ^{Hsu y Wu, 2017}; ^{Herrera et al., 2018}). Esta herramienta computacional representa una valiosa y económica alternativa para la realización de complejos estudios que tradicionalmente han sido realizados en túneles de viento (^{Natalini et al., 2001}; ^{Guan et al., 2003}; ^{Gromke y Ruck, 2008}; ^{Bitog et al., 2011}). Con estas herramientas ha sido evaluado asimismo, el efecto de vientos sobre objetivos económicos, así como el empleo de cortinas rompevientos como medios de protección ante la acción de los vientos (^{Borrelli et al., 1989}; ^{Balbastro et al., 2004}; ^{Martínez et al., 2013}); incluyendo la protección de cultivos (^{Boldes y Colman, 2003}).

Por lo general, los cultivos y las instalaciones agropecuarias se encuentran en zonas descubiertas, estando expuestas a la incidencia de vientos extremos. Esta situación se agrava por la situación geográfica de Cuba, enclavada en el mar Caribe en una ubicación azotada frecuentemente por huracanes de diferente categoría. A esto se une las consecuencias del cambio climático que sufre el planeta que, entre sus efectos, se ha comprobado el incremento, tanto de la frecuencia de los huracanes, como de la intensidad de los mismos.

Dada esta situación, así como el costo económico, social y medioambiental que impone el paso de los huracanes, es menester ejecutar estudios que posibiliten la toma de medidas para la atenuación o mitigación de los efectos que pueden ocasionar esos vientos extremos sobre determinados objetivos de las zonas rurales del país.

Como quiera que no es factible efectuar experimentos convencionales, creando huracanes artificiales actuando sobre objetivos económicos de gran extensión o magnitud, esta investigación está orientada al empleo de métodos de simulación numérica, aplicando herramientas computarizadas de dinámica de fluidos, de manera de poder realizar experimentos virtuales sobre modelos digitalizados y determinar el efecto de vientos extremos sobre determinados objetivos económicos sometidos a la acción de huracanes.

Diversos autores ^{Martínez et al. (2013)}; ^{Báez y Pozos (2017)} han empleado métodos de simulación numérica para el estudio de la acción de vientos huracanados sobre determinados objetivos, sin embargo, no reportan estudios comparativos con resultados experimentales que permitan validar el empleo de estos métodos, o al menos conocer el nivel de error de predicción del modelo con respecto al ensayo experimental.

El presente trabajo tiene como objetivo exponer los resultados de un grupo de experimentos realizados en un túnel de viento, dirigidos a la obtención de datos que pudieran ser comparados con los cálculos provenientes de modelos de simulación empleando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacinal y, de esta forma, obtener algún nivel de validación del empleo de estas herramientas en el análisis de vientos de alta intensidad.

MATERIALES Y MÉTODOS

Las corridas experimentales fueron realizadas en un túnel de viento diseñado y construido en el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA) de la Facultad de Ciencias Técnicas de la Universidad Agraria de La Habana. Fueron tomadas lecturas de presión dinámica en diferentes secciones en el interior del túnel con un flujo de aire cercano a 10 m³/s, simulando vientos huracanados del orden de los 36 m/s. Estas medicines fueron comparadas con el resultado de cálculos de la presión dinámica obtenidos mediante la simulación en un modelo tridimensional del propio túnel de viento, efectuada con la herramienta “Flow Simulation” del software Solidwork 2018. La comparación se efectuó con la presencia de nu obstáculo a la circulación del aire situado en la zona de entrada del aire, de manera de proporcionar una situación aerodinámica con mayor grado de posible turbulencia.

El túnel de viento empleado durante la experimentación se muestra en la Figura. 1, donde puede apreciarse asimismo sus dimensiones y los puntos de acceso (12 puntos) en diferentes secciones, habilitados para la toma de las mediciones, efectuadas con un tubo de Pitot acoplado a un manómetro diferencial (Figura.2).

FIGURA 1 Túnel aerodinámico empleado en las mediciones experimentales. 

La propia Figura.2 muestra los puntos objeto de medición en cada sección del túnel, cuyas lecturas fueron procesadas, determinándose el valor medio de la presión dinámica en cada una de las secciones, los cuales fueron comparados con los resultados de la simulación numérica efectuada mediante análisis por elementos finitos.

FIGURA 2 a) Tubo de Pitot acoplado a manómetro diferencial; b) puntos de muestreo en cada sección objeto de medición en el túnel de viento. 

Para cuantificar el resultado del análisis comparativo entre los valores encontrados experimentalmente y aquellos obtenidos mediante simulación, se determina el error de predicción (ΔE):

$\Delta E = \left[\right((M\_exp-M\_MEF)) ⁄M\_exp] * 100,\%$ (1)

donde:

Mexp-	Magnitud observada experimentalmente;
MMEF-	Magnitud obtenida mediante simulación.

RESULTADOS

Resultados de la simulación mediante CFD del túnel

El mallado del dominio computacional y las condiciones de frontera aplicadas al modelo se muestran en la Figura. 3, donde puede apreciarse el refinamiento de malla efectuado. A partir de un nivel de refinamiento de nivel 5 se obtuvieron un total de 223 673 celdas, de ellas 43 809 celdas correspondientes al fluido, 106 220 celdas al sólido y 73 644 a celdas parciales de interfase sólido y fluido.

FIGURA 3 Mallado del dominio computacional y condiciones fronteras. 

El flujo volumétrico de aire que mueve el ventilador axial se hizo incidir a la salida del túnel (flechas de color rojo) en dirección normal al plano X-Y con valor igual a 10 m³/s. A la entrada se declara la presión total teniendo como referencia la presión atmosférica (flechas de color amarillo). En las superficies interiores del túnel se ha declarado la condición de pared real, especificando la rugosidad de la plancha de acero empleada.

En la Figura. 4 se muestra el número de iteraciones realizadas para satisfacer el criterio de convergencia para las metas de ingeniería declaradas, alcanzado en un tiempo de 524 s, obteniéndose un nivel satisfactorio de convergencia de los resultados.

FIGURA 4 Convergencia de los resultados del análisis CFD. 

La distribución de la presión dinámica en el interior del túnel para un flujo volumétrico de 10 m³/s, obtenida mediante la simulación mediante C.F.D. se muestra en la Figura 5, donde se ha señalado los valores obtenidos como resultado de la simulación en los puntos que fueron objeto de medición experimental mediante el tubo de Pitot (puntos centrales de los planos de medición 1, 2 y 3).

FIGURA 5 Distribución de la presión dinámica en el interior del túnel para un flujo volumétrico de 10 m³/s. 

Los resultados de las mediciones experimentales de la presión dinámica para un flujo real volumétrico medio de 9,763 m³/s se muestran en la Tabla 1, en la que se comparan los valores medios de estas mediciones con los valores de la presión dinámica obtenidos mediante la simulación.

TABLA 1 Resultados de la comparación de las mediciones experimentales y la determinación mediante simulación para un flujo volumétrico cercano a 10 m³/s. 

	Presión dinámica				Flujo volumétrico real
	Medición experimental		Determinación por simulación
	Pd, Pa		Pd, Pa		Q, m^3/s
Planos de medición	Xmj	Utj	Xmj	ΔE (%)	Xmj	Utj
Plano 1	658,07	6,91	670	1,81	9,763	0.12
Plano 2	610,76	9,91	614	0,53
Plano 3	529,04	9,16	540	2,07

Como se aprecia de la Tabla 1, el error de predicción de la simulación osciló entre 0,53% y 2,07%, lo cual es sumamente satisfactorio, aunque es necesario resaltar que todos los valores simulados fueron superiores a los medidos experimentalmente, lo cual seguramente es debido a que en condiciones reales solo pudo alcanzarse en el túnel un nivel de flujo algo inferior al seleccionado para la simulación.

CONCLUSIONES

Como resultado de la comparación de resultados de cálculos efectuados mediante herramientas de simulación basadas en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con mediciones experimentales realizadas en las mismas condiciones de simulación, se obtuvo un nivel de predicción satisfactorio, que osciló entre 0,53% y 2,07%;

Este resultado confirma la aplicación de métodos numéricos basados en análisis por elementos finitos, en este caso el módulo “Flow Simulation” del software Solidwork, versión 2018, durante la simulación de corrientes de aire de alta intensidad.

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Recibido: 16 de Enero de 2020; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020

^*Autor para la correspondencia: Arturo Martínez Rodríguez, e-mail: [e-mail]