Modelación numérica de fluidización de un lecho de partículas y su incidencia en el gasto sólido de fondo

Abstract

El r´ıo Maipo es la principal fuente de agua potable de la ciudad de Santiago. Esta agua es captada por una bocatoma y es tratada por la empresa de agua potable Aguas Andinas. Desde los comienzos de su operaci´on que esta bocatoma ha presentado problemas de acumulaci´on de sedimentos. Las soluciones actuales para este problema no son del todo efectivas, por lo que en la presente memoria se presenta otra soluci´on alternativa. Esta soluci´on corresponde a fluidizar el lecho del r´ıo mediante chorros de agua. Para modelar num´ericamente esta soluci´on se utiliza el software OpenFOAM, usando modelaci´on discreta de part´ıculas (DPM), siendo el sedimento modelado por part´ıculas esf´ericas de igual tama˜no. Previo a ´esto, se realizan simulaciones de validaci´on del modelo. Esta validaci´on se realiza comparando el gasto s´olido de fondo adimensional obtenido num´ericamente con los valores de relaciones obtenidas emp´ıricamente en estudios anteriores. Las simulaciones realizadas en esta etapa corresponden a 15, que abarcan un rango aceptable de las relaciones de gasto s´olido conocidas. Los resultados obtenidos en esta etapa muestran a simple vista un buen comportamiento del modelo, debido a que las part´ıculas se mueven en la parte superficial del lecho, cuya capa podr´ıa semejarse a la capa de arrastre de fondo. Sin embargo, al comparar los resultados con las relaciones cl´asicas de gasto s´olido de fondo, se evidencia que el modelo tiene un comportamiento distinto a lo obtenido experimentalmente. Uno de estos corresponde al esfuerzo de corte cr´ıtico obtenido, correspondiente a τ∗c = 0,79. Este valor es mayor en comparaci´on a lo obtenido experimentalmente por otros autores, cuyos valores rondan entre τ∗c = 0, 048 a 0,058 . Estudios anteriores desarrollados con el mismo tipo de modelaci´on num´erica dan luces de los posibles errores obtenidos. Uno de estos errores podr´ıa ser que no se hayan utilizado valores adecuados en los par´ametros utilizados en las part´ıculas, tales como el coeficiente de restituci´on y el coeficiente de fricci´on din´amico. Otro podr´ıa ser que una modelaci´on 3D mejore el modelo de arrastre realizado en 2D. A partir del modelo de arrastre obtenido, se realiza una simulaci´on con un chorro de agua de 1 m/s con una configuraci´on del canal utilizada anteriormente en el modelo de arrastre, obteni´endose un valor de gasto s´olido de fondo aproximadamente 100 veces mayor respecto a la situaci´on sin chorros. Finalmente se dan recomendaciones de los pasos a seguir en un trabajo futuro. Uno de estos es realizar las simulaciones con chorros de agua y aire utilizando herramientas implementadas en OpenFOAM. Otra recomendaci´on corresponde a realizar una metodolog´ıa distinta para el c´alculo del gasto s´olido de fondo, para poder usar de mejor manera los datos que entrega la simulaci´on num´erica, los cuales en los casos experimentales son datos dif´ıciles de obtener.