ANÁLISIS DE LAS CONDICIONES DE FRONTERA EN LA INTERFASE AIRE AGUA (SUPERFICIE) PARA LA SIMULACIÓN HIDRODINÁMICA DE LAGUNAS FACULTATIVAS SECUNDARIAS

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1 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

2 Lagunas facultativas. (Gloyna, 1971; Mara, et al, 1992; Shilton, 2000, Mendoza, 2001; Banda, 2003).

3 Computational Fluid Dynamics. Soluciones numéricas. Transferencia y conservación de masa, energía, cantidad de movimiento y otros procesos (Patankar, 1980). Modelos en 2 y 3 dimensiones. Software comerciales.

4 Computational Fluid Dynamics. Componentes de una solución numérica. Modelo matemático. Método de discretización. Sistema de coordenadas y vectores. Tipo de malla. Las aproximaciones finitas. El método de solución de las ecuaciones. Criterios de convergencia (Ferziger & Peric, 2002; Fluent, 2006).

5 CFD y Lagunas Facultativas Modelos en 3D. CFD y trazadores. 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

6 CFD y Lagunas Facultativas Análisis de condiciones de proceso (Salter, et al, 2000, Sweeney, et al, 2005). Módulos de proceso (Beran y Kargi, 2007; Banda, 2007). Beran y Kargi, 2007 Abbas, et al, 2006

7 CFD y condiciones de frontera Definición de fronteras. Condiciones de frontera. En Lagunas facultativas: Entradas y salidas de agua. Paredes de fondo y paredes laterales. Interfase atmósfera superficie de agua. Aire Agua.

8 Fronteras en FLUENT. Condiciones de masa, momentum y energía en las 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.

9 Materiales y métodos. Entrada L / 3 Salida LAGUNA SIN BAFLES ENTRADA LONGITUDINAL.(EL). L Entrada L / 3 LAGUNA SIN BAFLES ENTRADA TRANSVERSAL. (ET). Salida PUNTOS DE MONITOREO

10 Materiales y métodos. Variables Unidades Modelo Variables Unidades Modelo Caudal L/s 0,33 Relación L/B 3,00 Temperatura C 25 Altura m 1,50 Viscosidad absoluta o dinámica Densidad kg/m 3 997,1 Número de Reynolds entrada kg/m*s 0, Talud 1: ,79 Ancho espejo de agua Largo espejo de agua m 6,20 m 18,60 Volumen m 3 120,56 TRH (nominal) días 4,23

11 Materiales y métodos. Laguna Piloto simuladas Tipo de entrada a las lagunas Tipo de salida de las lagunas Tamaño de los elementos m 3. Número de elementos 1. Entrada longitudinal 2. Entrada transversal Tubería circular Sumergi da Min: 7.10 e -9 - Max 2.9.e Min: 3.20 e -9 Max 4.2.e Min: 4.52 e -9 Max 3.0.e Min: 5.80 e -9 Max 4.48e Modelo de flujo laminar. Cantidad de movimiento y continuidad.

12 Materiales y métodos. Wall Free slip shear (FS). Fluent calcula la velocidad tangencial a la frontera. Pressure outlet (PO). Fluent adopta el valor de presión estática definido y extrapola las otras características a partir del interior del dominio. Velocity inlet (VI). Fluent calcula los flujos de masa y momento a partir del componente normal de la velocidad fijada.

13 Materiales y métodos. Independencia de las mallas. Convergencia. Análisis, post proceso.

14 Independencia de las mallas. FRONTERA: FS. EL

15 Independencia de las mallas. FRONTERA: FS. ET

16 Convergencia EL. Residuales. FRONTERA: FS. FRONTERA: PO. FRONTERA: VI.

17 Convergencia EL. Monitoreo. FRONTERA: FS. FRONTERA: PO. FRONTERA: VI.

18 Convergencia ET. Residuales. FRONTERA: FS. FRONTERA: PO. FRONTERA: VI.

19 Convergencia ET. Monitoreo. FRONTERA: FS. FRONTERA: PO. FRONTERA: VI.

20 Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2. PRESSURE OUTLET FREE SLIP VELOCITY INLET

21 Cantidad de movimiento y características del flujo EL. H/2. PRESSURE OUTLET FREE SLIP VELOCITY INLET

22 Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2. PRESSURE OUTLET FREE SLIP VELOCITY INLET

23 Cantidad de movimiento y características del flujo ET. H/2. PRESSURE OUTLET FREE SLIP VELOCITY INLET

24 Cantidad de movimiento y características del flujo EL m. FREE SLIP VELOCITY INLET

25 Cantidad de movimiento y características del flujo EL. Longitudinal entrada. FREE SLIP VELOCITY INLET

26 Cantidad de movimiento y características del flujo ET m. FREE SLIP VELOCITY INLET

27 Cantidad de movimiento y características del flujo ET. Transversal entrada. FREE SLIP VELOCITY INLET

28 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.

29 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.

30 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.

31 Perspectivas. Condiciones de flujo turbulento. Simulación para condiciones de viento. Ecuación de la Energía. Trazadores. Balance energético. Balance de especies de interés. Validación modelos.

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