ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO FLUIDO DINÁMICO DE UNA SECCIÓN DE DUCTO DE AGUA DE CIRCULACIÓN, APLICANDO ANSYS/FLOTRAN

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1 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO FLUIDO DINÁMICO DE UNA SECCIÓN DE DUCTO DE AGUA DE CIRCULACIÓN, APLICANDO ANSYS/FLOTRAN Oscar Dorantes, Antonio Carnero, Rodolfo Muñoz Instituto de Investigaciones Eléctricas San Miguel de Allende, Gto. Noviembre del

2 APLICANDO ANSYS/FLOTRAN Arreglo general del sistema de agua de circulación

3 RESUMEN Para determinar la presencia de recirculación de flujo u otro tipo de fenómeno que indujeran vibraciones a la tubería o a la válvula de mariposa, se realizó el análisis CFD (Computational Fluid Dynamics) del flujo de agua en una sección del ducto que comprende la tubería de descarga de la bomba, una válvula de mariposa y un codo. El ducto corresponde al sistema de agua de circulación de un turbogenerador con capacidad de 350 MW. Los resultados del análisis CFD, corresponden a la distribución de presión, velocidad y líneas de corrientes. Para obtener dichos resultados se realizaron modelos numéricos para simular el comportamiento del flujo de agua a través de la sección del ducto en estudio, determinándose la influencia de la posición (vertical u horizontal) de montaje de la válvula, así como su posición de cierre.

4 El artículo muestra el cálculo de las condiciones de frontera impuestas a los modelos numéricos, el cálculo de los parámetros de control del modelo de turbulencia seleccionado, así como las características generales de los modelos numéricos. Los resultados mostraron una condición desfavorable en la posición horizontal de montaje de la válvula, debido al abocinamiento del ducto justo antes de la válvula, lo que produce una distribución de presiones asimétricas entre la cara superior e inferior de la válvula, resultando un desbalanceo de las fuerzas que actúan sobre ambas caras de la válvula, requiriendo así una fuerza adicional del sistema de posicionamiento. La aplicación de códigos CFD para el análisis del comportamiento del flujo, es de gran utilidad para la identificación de problemas comunes en ductos, tales como: a) vibraciones inducidas por flujo, b) resonancia y c) golpe de ariete.

5 Modelo del ducto y de la válvula Modelo sólido del flujo en una sección del ducto del sistema de agua de circulación. Dirección del flujo 15º 15º Válvula Valve Sección del modelo del ducto mostrando la válvula en posición vertical con un ángulo de cierre de 15º con respecto a la dirección del flujo.

6 Actuador hidráulico de la válvula

7 Cálculo de las condiciones de frontera Con los datos de diseño del sistema de agua de circulación, tomados de las memorias de cálculo y planos del fabricante, se calcularon las condiciones de frontera para asignarlas al modelo y proceder al análisis mediante ANSYS. El procedimiento para el cálculo de las condiciones de fronteras es el siguiente: Cálculo de la velocidad inicial. 3 m Q Caudal de diseño s d Diámetro interior al inicio del ducto 1.9 m A v 0 Área de flujo πr Velocidad inicial π(0.646 m) Q A m s 1.311m 1.311m m s

8 Propiedades del fluido para una temperatura de ºC. kg ρ Densidad del fluido m μ Viscosidad dinámica 7.440x10 Cálculo del número de Reynolds. Re Re ρv0d μ h donde kg m m s 4 kg 7.440x10 m s D h -4 ( 1.9m) kg m s 4A P πd 4 4 πd 13,034,431 El cálculo del número de Reynolds establece el régimen de flujo, y en este caso podemos determinar que se encuentra en un régimen de flujo turbulento (Re >,300). d

9 Parámetros de turbulencia (Modelo k-ε). Después de establecer las condiciones de frontera del modelo, es necesario definir un modelo de turbulencia que servirá para realizar el análisis. Un modelo de turbulencia considera, el efecto de las fluctuaciones de velocidad e inestabilidades en el flujo. Normalmente, el modelo estándar k-ε es el modelo más sencillo, y todos los demás modelos existentes son una extensión del modelo k-ε. Es muy útil para el análisis de flujo turbulento en tuberías y canales. Los parámetros que se utilizan para el cálculo dependen de las condiciones de frontera del modelo, y de la geometría del ducto. Dichos parámetros representan la energía cinética turbulenta (k) y la razón de disipación de la energía cinética turbulenta (ε) a la entrada del ducto.

10 Los parámetros de turbulencia (k y ε) se calcularon de la siguiente manera: k k αv 0 donde m s 0.01< α < ε C μ 3 k L donde L 0.05d y C μ L 0.050(1.9 m) ε ( 5.706)

11 Presiones de entrada y de salida. Para establecer el valor inicial de la presión de entrada en el modelo, consideramos el valor de presión que se encuentra en la placa de la bomba y que tomaron los ingenieros del IIE en la visita que hicieron a la planta. Dicho valor es de 345 kpa. El valor inicial de la presión de salida del ducto, se calculó considerando la ecuación de Bernoulli y las pérdidas por fricción (caídas de presión) de los accesorios que se especifican en las memorias de cálculo del sistema de agua de circulación. Los parámetros de turbulencia (k y ε) se calcularon de la siguiente manera: ΔH T ΔH Junta + ΔH Aumento + ΔH Válvula + ΔH Tubería + ΔH Codo 90º ΔH T 0.084m m m m m 0.463m ΔP Pérdidas ρg ΔH T kg m m s ( 0.463m) 4,516 Pa 4.5 kpa

12 Antes de aplicar la ecuación de Bernoulli se debe calcular el cambio de velocidad después del aumento de área. P P 1 A A v A v v 0 A v 1 1 πr π(0.646m) 1.311m m s π(0.853 m).86 m 1.311m.86 m ( v v ) ΔP m s m 4.33 s Aplicando la ecuación de Bernoulli, se determina el valor de la presión de salida considerando las caídas de presión por rozamiento. kg m m s P1 345,000 Pa + P 31,445 Pa kpa 1 0 ρ Pérdidas m s 4,516 Pa

13 computacional de la dinámica del fluido Para realizar el análisis del flujo de agua, se incluyó la válvula de mariposa en el modelo y se consideraron dos configuraciones en la posición de instalación de la válvula, además algunos condiciones de cierre de válvula para cada configuración. Los modelos realizados son: - Válvula en posición horizontal Válvula totalmente abierta (0 ) Válvula con cierre de 30º en sentido al de las manecillas del reloj - Válvula en posición vertical Válvula totalmente abierta Válvula con cierre de 15º respecto al eje de flujo

14 C B A Para mostrar los resultados, se definieron tres planos de corte para desplegar en cada uno de ellos los contornos de velocidad y de presión, y en algunos casos, la distribución de los vectores de velocidad. En el caso de la válvula instalada en posición horizontal, se hicieron los cortes paralelos a la vista lateral (plano YZ). C B A

15 1 1 En el caso de la válvula instalada en posición vertical, se hicieron los cortes paralelos a la vista lateral (plano XZ). 3 3

16 Resultados del análisis CDF del ducto de circulación de agua. CASO DESCRIPCIÓN VELOCIDAD (m/s) PRESIÓN (kpa) MÍN MÁX MÍN MÁX 1 Válvula horizontal totalmente abierta Válvula horizontal con cierre de +30º Válvula vertical totalmente abierta Válvula vertical con cierre de 15º

17 A-A Contornos de presión en los planos de corte A-A, B-B y C-C del modelo con válvula en posición horizontal y totalmente abierta B-B C-C

18 A-A Distribución de velocidades en los planos de corte A-A, B-B y C-C del modelo con válvula en posición horizontal y totalmente abierta B-B C-C

19 Distribución de vectores de velocidad alrededor de la válvula en el modelo con válvula en posición horizontal y totalmente abierta

20 A-A Contornos de presión en los planos de corte A-A, B-B y C-C del modelo con válvula en posición horizontal y con cierre de +30º B-B C-C

21 A-A Distribución de velocidades en los planos de corte A-A, B-B y C-C del modelo con válvula en posición horizontal y con cierre de +30º B-B C-C

22 Distribución de vectores de velocidad en el ducto correspondientes al modelo con la válvula en posición horizontal y cierre de +30º, mostrando las zonas en donde se presentan recirculaciones

23 1-1 Contornos de presión en los planos de corte 1-1, - y 3-3 del modelo con válvula en posición vertical y totalmente abierta - 3-3

24 1-1 Distribución de velocidades en los planos de corte 1-1, - y 3-3 del modelo con válvula en posición vertical y totalmente abierta - 3-3

25 Distribución de vectores de velocidad alrededor de la válvula en el modelo con válvula en posición vertical y totalmente abierta.

26 1-1 Contornos de presión en los planos de corte 1-1, - y 3-3 del modelo con válvula en posición vertical y cierre de 15º con respecto al eje de flujo - 3-3

27 1-1 Distribución de velocidades en los planos de corte 1-1, - y 3-3 del modelo con válvula en posición vertical y cierre de 15º con respecto al eje de flujo - 3-3

28 CONCLUSIONES Válvula en posición horizontal totalmente abierta. Se deduce que el extremo izquierdo de la válvula tiende a flexionarse hacia abajo, debido a la diferencia de presiones que existe entre la cara superior e inferior. Esto significa que durante operación continua, el sistema de posicionamiento trabaja constantemente ejerciendo una fuerza adicional para mantener la válvula en su posición de totalmente abierta. Lo anterior se debe al abocinamiento del ducto, lo cual produce una asimetría en el flujo entre la parte superior e inferior del ducto. Se puede decir que no existen vibraciones inducidas por flujo sobre la válvula y su vástago, ya que no se observa recirculación de flujo ni cambios de dirección en los vectores de velocidades.

29 CONCLUSIONES Válvula en posición horizontal con cierre de +30º. Se puede decir que la válvula tiende a flexionarse en forma de "U", ya que en ambos extremos existe una diferencia de presiones entre la cara superior e inferior, lo que significa que durante su operación continua el sistema de posicionamiento trabaja constantemente ejerciendo una fuerza adicional para mantener la válvula en su posición de cierre de +30. La velocidad en la parte posterior (aguas adelante) de la válvula y cercana a las paredes del ducto, tiende a cero, lo que produce recirculaciones de flujo en la zona de la válvula y en la zona cercana al codo de 90º. Existe recirculación de flujo ocasionando vibraciones inducidas por flujo al sistema. Esta recirculación tiende a ser menor en el centro del ducto.

30 CONCLUSIONES Válvula en posición vertical totalmente abierta. Se deduce que el cuerpo de la válvula se encuentra en equilibrio, debido a que no existe diferencia de presiones entre la cara superior e inferior, lo que significa que durante la operación continua el sistema de posicionamiento trabaja en una mejor condición con respecto a la válvula en posición horizontal. Se puede decir que no existen vibraciones inducidas por flujo sobre la válvula y su vástago, ya que no se observa recirculación de flujo.

31 CONCLUSIONES Válvula en posición vertical con cierre de 15º. Se puede decir que la válvula tiende a flexionarse en forma de "U", ya que en ambos extremos existe una diferencia de presiones entre la cara superior e inferior, lo que significa que durante su operación continua el sistema de posicionamiento trabaja constantemente ejerciendo una fuerza adicional para mantener la válvula en su posición de cierre de 15º. Cabe mencionar, que en el caso que la válvula cierre - 15º(sentido contrario a las manecillas del reloj), la magnitud y distribución de presiones y velocidad serán muy similares debido a la simetría que existe entre el lado izquierdo y derecho con respecto al eje de la válvula.

32 CONCLUSIONES Los resultados muestran una condición desfavorable en la posición horizontal de montaje de la válvula, debido al abocinamiento del ducto justo antes de la válvula, lo que produce una distribución de presiones asimétricas entre la cara superior e inferior de la válvula, resultando un desbalanceo de las fuerzas que actúan sobre ambas caras de la válvula, requiriendo así una fuerza adicional del sistema de posicionamiento. La aplicación de códigos CFD para el análisis del comportamiento del flujo, es de gran utilidad para la identificación de problemas comunes en ductos, tales como: a) vibraciones inducidas por flujo b) resonancia c) golpe de ariete