Lagunas facultativas.

ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE FRONTERA EN LA INTERFASE AIRE AGUA (SUPERFICIE) PARA LA SIMULACIÓN HIDRODINÁMICA DE LAGUNAS FACULTATIVAS SECUNDARIAS
A. Aponte*, A. Toro*, L. Dueñas**, S. Laín**, M. R. Peña V.*, *Instituto Cinara, Universidad del Valle, Cali, Colombia
** Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia
Lagunas facultativas.
(Gloyna, 1971; Mara, et al, 1992; Shilton, 2000, Mendoza, 2001; Banda, 2003). Computational Fluid Dynamics.
ƒ Soluciones numéricas.
ƒ Transferencia y conservación de masa, energía, cantidad de movimiento y otros procesos (Patankar, 1980).
ƒ Modelos en 2 y 3 dimensiones.
ƒ Software comerciales.
Computational Fluid Dynamics. Componentes de una solución numérica.
ƒ Modelo matemático.
ƒ Método de discretización.
ƒ Sistema de coordenadas y vectores.
ƒ Tipo de malla.
ƒ Las aproximaciones finitas.
ƒ El método de solución de las ecuaciones.
ƒ Criterios de convergencia (Ferziger & Peric, 2002; Fluent, 2006).
CFD y Lagunas Facultativas
ƒ Modelos en 3D.
ƒ CFD y trazadores.
ƒ Estudio de condiciones de diseño físico que afectan patrones de flujo (Shilton, 2000; Shilton, et al, 2003; Lloyd, et al, 2003, Banda, 2007).
Banda, 2007
CFD y Lagunas Facultativas
ƒ Análisis de condiciones de proceso (Salter, et al, 2000, Sweeney, et al, 2005).
ƒ Módulos de proceso (Beran y Kargi, 2007; Banda, 2007).
Beran y Kargi, 2007
Abbas, et al, 2006
CFD y condiciones de frontera
ƒ Definición de fronteras.
ƒ Condiciones de frontera.
ƒ En Lagunas facultativas:
Entradas y salidas de agua.
Paredes de fondo y paredes laterales.
Interfase atmósfera – superficie de agua. Aire –
Agua.
Fronteras en FLUENT ® .
ƒ Condiciones de masa, momentum y energía en las ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
fronteras.
Fronteras de entrada y salida, Inlet y outlet: representan entradas y salidas en el modelo.
Fronteras tipo pared, Wall: Esta frontera es utilizada para separar regiones de sólidos de regiones de fluidos en el modelo.
Fronteras internas, Internal zones.
Fluid, and solid (porous is a type of fluid zone).
Fronteras caras internas de las fronteras.
Materiales y métodos.
Entrada
L / 3
Salida
LAGUNA SIN BAFLES
ENTRADA
LONGITUDINAL.(EL).
L
Entrada
LAGUNA SIN BAFLES
ENTRADA
TRANSVERSAL. (ET).
L / 3
Salida
PUNTOS DE MONITOREO
Materiales y métodos.
Variables
Unidades
Modelo
Caudal
L/s
0,33
Temperatura
°C
25
Altura
Viscosidad
absoluta o
dinámica
kg/m*s
0,000894
Talud
Densidad
kg/m3
997,1
Ancho espejo
de agua
m
6,20
18449,79
Largo espejo
de agua
m
18,60
Volumen
m3
120,56
TRH
(nominal)
días
4,23
Número de
Reynolds
entrada
Variables
Unidades
Relación L/B
Modelo
3,00
m
1,50
1:1
Materiales y métodos.
Laguna Piloto
simuladas
1. Entrada
longitudinal
2. Entrada
transversal
Tipo de
entrada a
las
lagunas
Tubería
circular
Tipo de
salida de
las
lagunas
Tamaño de los elementos m3.
Min: 7.10 e-9 - Max 2.9.e-3
Sumergi Min: 3.20 e-9 – Max 4.2.e-4
da
Min: 4.52 e-9 – Max 3.0.e-3
Min: 5.80 e-9 – Max 4.48e-4
Modelo de flujo laminar.
Cantidad de movimiento y continuidad.
Número de
elementos
164.500
814.200
165.000
805.000
Materiales y métodos.
ƒ Wall Free slip shear (FS). Fluent calcula la velocidad tangencial a la frontera.
ƒ Pressure outlet (PO). Fluent adopta el valor de presión estática definido y extrapola las otras características a partir del interior del dominio.
ƒ Velocity inlet (VI). Fluent calcula los flujos de masa y momento a partir del componente normal de la velocidad fijada.
Materiales y métodos.
ƒ Independencia de las mallas.
ƒ Convergencia.
ƒ Análisis, post proceso.
Independencia de las mallas.
FRONTERA: FS.
EL
Independencia de las mallas.
FRONTERA: FS.
ET
Convergencia EL. Residuales.
FRONTERA: FS.
FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia EL. Monitoreo.
FRONTERA: FS.
FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia ET. Residuales.
FRONTERA: FS.
FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Convergencia ET. Monitoreo.
FRONTERA: FS.
FRONTERA: PO.
FRONTERA: VI.
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2.
PRESSURE OUTLET
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2.
PRESSURE OUTLET
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2.
PRESSURE OUTLET
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2.
PRESSURE OUTLET
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. – 0.05 m.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo EL. Longitudinal entrada.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. – 0.05 m.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Cantidad de movimiento y características del flujo ET. Transversal entrada.
FREE SLIP
VELOCITY INLET
Conclusiones.
La definición de las condiciones de frontera
de la interfase aire – líquido en una laguna
facultativa tiene dos alternativas claramente
óptimas para su simulación empleando
Fluent, la FS y la VI.
Los gradientes de mezcla verticales en una
laguna facultativa también pueden ser
explicados en términos de su comportamiento
hidrodinámico.
Conclusiones.
CFD hace posible estudiar los aportes que
desde la cantidad de movimiento se hace a
los gradientes de mezcla vertical de una
laguna facultativa.
El efecto combinado de las fuerzas viscosas y
gravitatorias en una laguna facultativa
produce zonas con regímenes de flujo
laminar – subcrítico y turbulento – subcrítico.
Conclusiones.
Para las condiciones de frontera FS y VI la
forma de entrada del agua en la laguna
convencional, incide fuertemente sobre el
comportamiento del fluido.
El análisis de las condiciones de frontera en
LF debe seguir un proceso metódico que
permita realizar la mejor simulación.
Perspectivas.
Condiciones de flujo turbulento.
Simulación para condiciones de viento.
Ecuación de la Energía.
Trazadores.
Balance energético.
Balance de especies de interés.
Validación modelos.