Evaluación del CFD MFIX en el cálculo del gasto sólido en un canal virtual con lecho de arena

Abstract

Existe una gran cantidad de programas de Fluido-Dinámica Computacional (CFD por sus siglas en inglés), que tratan básicamente de la simulación numérica de flujos, fluidos, reacciones químicas, transferencia de calor, etc. Estos programas se han hecho esenciales en el desarrollo y enseñanza de la ingeniería, poniendo al alcance de todo aquel que cuente con un computador, la posibilidad de hacer pruebas sin gastos materiales. Muchos CFD son gratuitos y de código abierto, lo que permite a los usuarios aportar al desarrollo del programa, pero que obliga a mantener en constante observación su desempeño. Este trabajo evalúa el software MFIX, -un CFD de código abierto- en el cálculo del gasto sólido de fondo de un canal con lecho de arena de tamaño uniforme, que utiliza RANS (Reynolds Average Navier Stokes) para determinar el comportamiento de la fase líquida, y DEM (Discrete Element Model) para las partículas sólidas. Para evaluar el programa se calculó el gasto sólido de fondo en un canal virtual en dos dimensiones de 8 cm de alto y largo de 20 cm con un flujo cíclico constante, y con un lecho de arena representada por partículas sólidas esféricas con diámetros de 1 mm y de 2 mm. Se ubicaron dos topes, uno en la entrada y otro en la salida, para sostener las partículas y reducir efectos indeseados de la condición de borde cíclico. Para probar distintas velocidades se varió el flujo másico, empezando en 200 kg/m2/s, aumentando de 100 kg/m2/s hasta llegar a 800 kg/m2/s. Algunos valores han sido adimensionalizados, al igual que el gasto sólido calculado por el modelo, y se compararon con ecuaciones clásicas de gasto sólido, como la ecuación de Meyer-Peter y Muller, y otras ecuaciones semi-empíricas. Los resultados entregados por el modelo muestran una relación entre el esfuerzo de corte (calculado con los valores entregados por el programa) y el gasto sólido generado por éste, creciendo según τ 3,74 ∗ para el caso de partículas sólidas de diámetro 1 mm y según τ 3,85 ∗ para sólidos de 2 mm, lejos del τ 1,5 ∗ de las ecuaciones clásicas. Aunque para τ∗ cercanos a uno, los valores de q ∗ s obtenidos del modelo son próximos a los valores obtenidos de las ecuaciones clásicas, sobre todo a la propuesta por Fernandez-Luque y van Beek. Sin embargo, para valores inferiores de τ∗ los resultados se alejan, quedando siempre por debajo de los valores obtenidos de las ecuaciones clásicas.