FLUJOS TURBULENTOS BIFASICOS 3D EN LLENADO DE MOLDES DE FUNDICION Y EN IMPACTO DE OLAS EN ESTRUCTURAS Nelson Moraga, Carlos Garrido y Daniel Garrido

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1 FLUJOS TURBULENTOS BIFASICOS 3D EN LLENADO DE MOLDES DE FUNDICION Y EN IMPACTO DE OLAS EN ESTRUCTURAS Nelson Moraga, Carlos Garrido y Daniel Garrido Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de La Serena

2 Contenidos P1. Llenado de moldes P2. Impacto de olas en estructuras Metodología. Caso 1. Validación en 2D. Metodología. Caso 3. Validación en 3D. Resultados Caso 2. Aplicación industrial en 3D. Resultados Caso 4. Predicción de efectos de tsunami en El Faro de La Serena. Diseño de un molde Resultados Conclusiones Parámetros. Resultados Conclusiones

3 P1. Llenado de moldes de fundición

4 Metodología Se resuelve un caso asintótico encontrado en la literatura para llenado de molde en 2D, comparándolo con resultados numéricos otros autores. Se realiza una aplicación industrial en la evaluación del diseño de un molde en 3D. Aplicando el programa comercial ANSYS/FLUENT con MVF y la técnica VOF. Volumen de control VOF

5 Caso 1. Validación para el llenado de un molde Situación Física Discretización espacial g=10m/s2 U=0.1m/s 3 cm 8cm 6 cm 6 cm 3 cm volúmenes nodos Supuestos Proceso transiente e isotérmico Flujos No Desarrollado y Newtoniano Casos 2D flujo laminar Paredes deslizantes Discretización temporal Paso de tiempo = 0.01s Máximode iteraciones por paso de tiempo = 100 Propiedades Fluido B Fluido A Densidad (ρ) = 0.1 kg/m³ Densidad (ρ) = 100 kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = 0.02 kg/(m s) Viscosidad dinámica (µ) = 0.2 kg/(m s)

6 Resultados Caso 1: Validación [1] Presente trabajo Interfase móvil Líneas de corriente [1] M. Cruchaga, D. J. Celentano y T. E. Tezduyar: Moving-interface computations with the edge-tracked interface locator technique (ETILT), Int. J. Numer. Meth. Fluids, Vol 47, pp (2005).

7 Caso 2. Descripción del problema Ingreso inferior Situación Física Ingreso medio Ingreso superior

8 Diseño de moldes Dimensiones [mm] Sistema de ingreso sin presión [2] A p > A c > A b Aluminio: 4 > 2 > mm 2 > 529 mm 2 > mm 2 [2] D. M. Stefanescu, Science and Engineering of Casting Solidification, Second Edition, (2009).

9 Condiciones iniciales y de borde Propiedades [3] Aire a T=25ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = x kg/(m s) Aluminio a T = 860ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = kg/(m s) Supuestos Proceso transiente e isotérmico Fluidos Newtonianos Flujo turbulento Paredes deslizantes μ [3] M. Cruchaga y D. J. Celentano, A finite element thermally coupled flow formulation for phase-change problems, Int. J. Numer. Meth. Fluids, Vol 34, pp (2000).

10 Modelo matemático Continuidad Momento lineal en x,y,z VOF [4] Fracción de volumen α Propiedades [4] C. W. Hirt y B. D. Nichols: Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, J. of Computational Physics, Vol39, pp (1981).

11 Flujo turbulento Modelo de turbulencia k-ε realizable

12 Discretización espacial y temporal Discretización espacial Discretización temporal volúmenes nodos Llenado inferior Llenado medio Llenado superior Skewness < 0.9 [5] Aspect ratio < 40 [5] 0(Perfect) 1(Worst) [5] D. M. Stefanescu: Science and Engineering of Casting Solidification, Second Edition, Vol. 4, pp (2009).

13 Implementación computacional Factores de Subrrelajación Método MVF Algoritmo de acoplamiento PISO Superficie libre VOF Presión Presto Términos convectivos Fracción de volumen Power Law CICSAM Convergencia PC Intel Core i5 2.5 GHz 6 GB de RAM 4 procesadores en paralelo

14 Validación parcial de los resultados Upadhya y Paul (1993) [2] Wukovici y Metevelis (1989) [2] = s = s Literatura [2] = s [2] D. M. Stefanescu: Science and Engineering of Casting Solidification, Second Edition, Vol. 4, pp (2009).

15 Validación parcial de los resultados Tiempo (s) Tiempo (s) Tiempo (s) ,09 0,12 0,15 0,18 0 0,09 0,12 0,15 0,18 0 0,09 0,12 0,15 0,18 Altura (m) Altura (m) Altura (m) Llenado inferior Wukovici y Metevelis Llenado zona media Upadhya y Paul Llenado superior Análisis empírico

16 Resultados Caso 2: Interfase móvil Llenado inferior 1.8 s Llenado medio 1.5 s Llenado superior 10.0 s Caída brusca 4.3 s Gotas frías 7.5 s 15.2 s Interfase con 25.0 s oscilaciones Formación de burbujas 21.0 s Interfase con oscilaciones 20.0 s Burbujas

17 Resultados Caso 2: Velocidad de ingreso Llenado inferior Llenado medio Llenado superior 1.8 s Vel. [m/s] 1.5 s Vel. [m/s] 10.0 s Vel. [m/s] 4.3 s 7.5 s 15.2 s 25.0 s 21.0 s 20.0 s

18 Conclusiones P1: Llenado de moldes Simulación computacional permite revisar el diseño de sistemas de alimentación de moldes de alimentación, para lograr una pieza libre de defectos. Usar Fluent+VOF, modelo 3D, nodos, t=0.001s; tcpu o(120 horas) Llenado superior es más rápido y permite aumentar la productividad (20s). Interfase metal fundido-aire con oscilaciones (origina defectos). Llenado inferior: interfase libre de oscilaciones. El llenado es el más lento (25s). Calidad de la pieza y productividad Llenado por la zona media (21s).

19 P2. Impacto de olas en estructuras Costa de Sumatra, Indonesia (2004)

20 Caso 3. Validación fluido-fluido-estructura Situación Física Discretización temporal Paso de tiempo = 0.001s. Iteraciones máximas por paso de tiempo = 100 Discretización espacial Propiedades Aire a T=25ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = e-05 kg/(m s) Agua a T = 25ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = kg/(m s) volúmenes nodos

21 Resultados: Validación y verificación Presente trabajo Răzvan Bidoae[6] Datos comparativos t = 0.21 s t = 0.42 s t = 0.63 s [6] R. Bidoae: Numerical Simulation of immiscible liquids in the vicinity of the free surface, The 6th International Conference on Hydraulic Machinery and Hydrodynamics, Romania, pp (2004).

22 Caso 4. Descripción del problema Altura=26.5(m) Base=37x36.8(m) Estructura El Faro de La Serena Bahía de Coquimbo (Chile) Área de estudio

23 Caso 4. Descripción del problema 150m Situación Física Faro de La Serena 12m 88m Perfil de la playa 200m 50m Batimetría [7] 150m Batimetría 100m 15m 20m Perfil de la playa [7] [7] C. Villagrán y M.V. Soto: Dinámica costera en el sistema de bahías comprendidas entre Ensenada Los Choros y Bahía Tongoy, Memoria paraoptar al título de geógrafo: Universidad de Chile, Facultad de Arquitectura y Urbanismo, Chile (2007).

24 Metodología Se resuelve un caso asintótico encontrado en la literatura para verificar y validar la metodología de trabajo comparándolo con resultados experimentales y simulaciones computacionales de otros autores. Aplicando el programa comercial ANSYS/FLUENT con MVF y la técnica VOF. Volumen de control VOF

25 Condiciones iniciales y de borde Dominio Computacional Propiedades Slipwall Slipwall Symmetry Aire a T=25ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = e-05 kg/(m s) Agua a T = 25ºC Densidad (ρ) = kg/m³ Viscosidad dinámica (µ) = kg/(m s) Symmetry Slipwall Pressure outlet Slipwall Supuestos 30m Proceso transiente e isotérmico Fluidos Newtonianos Flujo turbulento Paredes deslizantes 30m 150m 11m 33m 30m 26m 150m 100m 5m 23m 20m Nivel del mar

26 Modelo matemático Continuidad Momento lineal en x,y,z VOF [4] Fracción de volumen α Propiedades [4] C. W. Hirty B. D. Nichols: Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, J. of Computational Physics, Vol39, pp (1981).

27 Flujo turbulento Modelo de turbulencia k-ε realizable

28 Discretización espacial y temporal Discretización espacial nodos volúmenes Discretización temporal Paso de tiempo = 0.001s, 0s < t < 2s Paso de tiempo = 0.005s, 2s < t < 10s Paso de tiempo = 0.01s, 10s < t < 30s Iteraciones máximas = 100

29 Implementación computacional Factores de Subrrelajación Método MVF Algoritmo de acoplamiento PISO Superficie libre VOF Presión Presto Términos convectivos Fracción de volumen Power Law CICSAM Convergencia PC Intel Core i5 2.5 GHz 6 GB de RAM 4 procesadores en paralelo

30 Resultados Caso 4 Interfase móvil Literatura [8] t = 4 s t = 12 s t = 20 s t = 27s [8]

31 Resultados Caso 4 Presión Dinámica [kpa] Fuerza sobre la estructura t = 4 s Faro 18 MN t = 12 s Fuerza [N] Fuerza debido a la ola t = 20 s Fuerza del viento t = 27 s Tiempo [s]

32 Resultados Caso 4 Magnitud de velocidad [m/s] Literatura [9] t = 4 s Velocidad [m/s] Batimetría [m] t = 12 s t = 20 s t = 27 s [9]

33 Conclusiones Modelo de simulación incluye: batimetría, perfil de la playa, velocidad del viento y geometría de la estructura (Faro de La Serena), para tsunami con una ola de 15 m de altura. El valor máximo de la fuerza sobre la estructura es de 18 [MN], en t=23s. La velocidad en la superficie libre es de 12.5 [m/s] (45 [km/hr]), valor que corresponde a la velocidad real reportada la literatura, para cuando un tsunami llega al borde costero. Simulaciones efectuadas con Ansys/Fluent + VOF, malla de nodos, pasos de tiempo variables (0.001< t<0.01s). Tcpu=480 horas.

34

35 Tabla Resumen [10] Caso Análisis Flujo Pasode tiempo Malla Tiempo de cálculo Caso 1. Molde con forma de S 2D laminar 0.01s nodos 18 minutos Caso 2. Molde por gravedad con ingreso inferior Caso 2. Molde por gravedad con ingreso zona media Caso 2. Molde por gravedad con ingreso superior Caso 3. Validación fluido-fluidoestructura Caso 4. Farocon batimetría y perfil de playa 3D turbulento 0.001s nodos 192 horas 3D turbulento 0.001s nodos 134 horas 3D turbulento 0.001s nodos 144 horas 3D turbulento 0.001s nodos 30 horas 3D turbulento 0.001s nodos 480 horas [10] D. Garrido: Prediccióndel avancede interfasesmóvilescon métodovof y ANSYS/Fluent, Trabajode títulode IngenieríaCivil Mecánica, Universidad de La Serena (2012).

36 Thank you! Una mente que ha sido estirada por nuevas ideas, nunca podrá recobrar su forma original. (Albert Einstein)

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