Modelación numérica 3D de un fluido pseudoplástico bajo régimen oscilatorio en un conducto rectangular a presión

Abstract

El presente trabajo de título tiene como objetivo general la modelación numérica tridimensional de un fluido pseudoplástico bajo régimen oscilatorio laminar en un conducto rectangular a presión utilizando el programa computacional OpenFOAM. De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada, la mayor parte de los estudios contemplan el análisis del flujo pulsante de fluidos no newtonianos en los sistemas cardiovascular y cerebral, además de usos en la industria como remoción de partículas en superficies planas. Por otra parte, Yakhot et al., desarrollaron un modelo numérico que describe el comportamiento del flujo pulsante laminar en un conducto rectangular de un fluido newtoniano, mientras que Luviano et al. estudiaron el comportamiento hidrodinámico de un flujo oscilatorio reciprocante en un conducto cilíndrico finito generado por el movimiento de 2 pistones ubicados en los extremos de la tubería. Edwards et al., analizaron el flujo oscilatorio laminar de un fluido no newtoniano tipo ley de potencia en una tubería cilíndrica, donde comparan el efecto del perfil de velocidades cuando el fluido es pseudoplástico o dilatante. En un principio se simularon flujos tridimensionales laminares en conductos a presión con fluidos newtonianos y no newtonianos tipo ley de potencia, con el fin de comparar resultados numéricos con los teóricos obtenidos de la literatura. En términos generales, los perfiles de velocidad y esfuerzo de corte obtenidos con OpenFOAM poseen variaciones menores al 1% con respecto a los resultados analíticos, teniendo mayor variación en las cercanías de los bordes en el caso de los esfuerzos de corte para un flujo oscilatorio. El proceso contempló la construcción de geometrías regulares utilizando mallas estructuradas y la aplicación de condiciones de bordes para la velocidad y presión en los extremos de ésta. Posteriormente se diseñó la geometría de la instalación experimental del Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, con el objeto de comparar los resultados del modelo numérico realizado con la aplicación interDyMFoam con los registros experimentales procesados con el método PIV (Particle Image Velocity). La instalación corresponde a un tubo de acrílico horizontal de 0.15 m de ancho, 0.2 m de alto y 2 m de largo, con dos chimeneas verticales en sus extremos, en una de las cuales existe un pistón accionado por un motor encargado de generar el movimiento oscilatorio del fluido, el cual es representado como una superficie móvil. Se compararon los perfiles de velocidad y esfuerzos de corte en la pared y perfil en función de la amplitud y frecuencia de la oscilación, así como las características del fluido pseudoplástico. Se observó que a mayor frecuencia, el centro del perfil de velocidades es más plano que en comparación a una frecuencia menor, resultado acorde a lo obtenido analíticamente por Womersley para flujos oscilatorios de fluidos newtonianos en tuberías cilíndricas. Por otro lado, mientras menor es el índice del flujo, existen alteraciones numéricas en el perfil de esfuerzos de corte que se traducen en un aumento del porcentaje de error para estas condiciones. Finalmente, una comparación entre resultados numéricos y experimentales presentan ajustes para el perfil de velocidades que varían entre 1 y 7%, mientras que para el perfil de esfuerzos de corte llegan hasta un 11% para un fluido pseudoplástico con índice de flujo n de 0,857 y K igual 0,0193 (Pa s^n).