A través del análisis de las particularidades de los casos de estudios analizados en el Capítulo anterior, fusionando las experiencias de estos estudios con las adquiridas a través de la bibliografía consultada en pos de obtener una solución para la problemática descrita se da paso al análisis del potencial eólico en INTEC mediante la herramienta determinada por el autor. Este Capítulo analiza dos de los modelos que utiliza ANSYS para la evaluación del recurso eólico y se la selección de uno de ellos para la presente investigación. Los datos de las velocidades del viento que se necesitaron para la investigación se recolectaron en la estación Aeropuerto Herrera ubicado en 18.4720 de latitud Norte y -69.96400 de longitud Oeste. La geometría del Instituto se elaboró en SolidWork 2016 fue suministrada por profesores del INTEC. El proceso de discretización, ensayos numéricos y el análisis de los resultados se desarrollaron en el software ANSYS 16.1.
2.2- Módulos FLUENT y CFX
Los módulos CFX y Fluent son dos de los más potentes códigos de solución de problemas CFD, cuentan con una interfaz de trabajo fácil e intuitivo permitiendo a los usuarios visualizar en todo tiempo lo que sucede, no presenta ventanas de comando ni es necesario hacer grandes programaciones para solucionar. ANSYS Inc. se adentra en el campo de la CFD al adquirir los códigos comerciales CFX en 2003 y FLUENT en 2006, (Morel, 2015). A continuación, en la tabla 2.1 se realiza una comparación entre estos dos módulos.
Tabla 2.1: Comparación entre ANSYS CFX y ANSYS Fluent
Aspecto ANSYS CFX ANSYS Fluent
Metodología Metodología de tres partes: pre- procesamiento, solucionador y post-procesado (Resultados) Metodología de tres partes: pre-procesamiento, solucionador y post- procesado (Resultados) Introducción de Módulos ANSYS Design Modeler Módulos ANSYS Design
Meshing (AM)
Dominios Tres Dominios Un Dominio
Pre-procesado CFX-Pre Se integran el pre-
procesamiento, solucionador y post- procesado (Fluent y CFX- Post) Solucionado CFX-Solver Post-procesado CFX-Post
Fuente: (Morel, 2015)(Morel, 2015)(Morel, 2015)(Morel, 2015) El repositorio de información del CEETA cuenta con las versiones de ANSYS 12, 13, 14.0, 14.5, 15, 16 y 16.1 para Windows en plataformas de 32 y/o 64 bit y la versión 17 para software Libre Linux. Esta suite se ha adquirido por la vía de sitios de hackers que comparten estas aplicaciones comerciales. Para la realización de este trabajo se decidió utilizar el ANSYS, específicamente en los módulos CFX y Fluent por tener plataformas sólidas capaces de instalarse sin problemas sobre el sistema operativo Windows 8.1 y
Windows 10 ambos de 64 bit. Además, se cuenta con experiencias de su aplicación en otros trabajos realizados en él. El autor para esta investigación decidió emplear el módulo Fluent para llevar a cabo el presente proyecto.
En el módulo ANSYS-Fluent se realiza el mallado del dominio y de la geometría, además, se introducen los datos de velocidad del viento, obtenidos del punto de referencia mencionado anteriormente, el dato de la presión fue tomado para una presión atmosférica, también se trabajó con una temperatura ambiente. La importancia del análisis y determinación de estos datos correctamente nos ayudara a lograr una simulación de efecto del viento en la zona de estudio
2.2- Metodología de trabajo con ANSYS 16.1
ANSYS 16.1 posee una ventana de trabajo, llamada Workbench (Banco de trabajo) (Figura 2.1). Esta ventana está compuesta por un menú principal, que ofrece la posibilidad de abrir y crear nuevos proyectos de trabajo, verificar y cambiar el sistema de unidades y ocultar o mostrar otras ventanas de dialogo. A la izquierda aparece la barra de herramientas,
conteniendo los posibles módulos de análisis que varían desde estructural, hasta magneto- estáticos, respuesta armónica entre otros. Estos módulos de análisis están diseñados de acuerdo análisis que se necesite realizar. Para el caso de la simulación de fluidos, los softwares CFD dentro de los módulos de trabajo son: el Fluent y el CFX, se decidió trabajar con el Fluent como se había planteado anteriormente (Figura 2.2 a). Por debajo de la barra de herramientas está ubicada la barra de componentes, la que contiene de forma separada cada uno de los componentes posibles a utilizar. Esos componentes se ensamblan con una línea, arrastrando la celda antecesora a la celda sucesora (figura 2.2 b) ensamblado. El área de trabajo está ubicada en el centro de la ventana y es posible añadir cuantos módulos de trabajo sean necesarios.
Figura 2.1.Ventana de inicio de ANSYS 16.1
a) b)
Figura 2.2.Módulo FLUENT de análisis de flujo: a) Cuando se inserta desde la barra de herramienta. b) Cuando son insertados por separados.
la derecha contiene las informaciones de los módulos en pantalla. El modelo de trabajo seleccionado para hacer la simulación de la tubería forzada es el mostrado en la figura 8a, debido a que permite hacer el modelado CAD, el mallado del dominio en un mismo modulo sin tener que realizarlo por separado, aunque cualquiera de las dos opciones se puede utilizar.
2.2-2. Modelo Geométrico de INTEC
La generación de la geometría se realizó en el software SolidWork 2016 (Figura 2.3) las edificaciones se encuentran distribuidas horizontalmente, en un terreno que se encuentra en una colina, aunque en la geometría no se representaron los niveles del terreno. Hay espacios entre las estructuras en las cuales se pueden tener un efecto de túnel de viento, donde la velocidad del viento tiende a acelerarse. El espacio que hay entre las edificaciones de Medicina y el de Odontología, puede crear una zona de alta turbulencia, fenómeno que se analizará en el Capítulo siguiente.
Figura2.3. Geometría construida en SolidWork 2016.
Luego de la elaboración en CAD de la estructura se importó la geometría para ANSYS 16.1
Design Modeler (ADM), que es el software elegido por ANSYS para el modelado CAD. El ADM está pensado para para el diseño de geometrías con el fin de facilitar los ensayos numéricos, las que no deben contener exceso de elementos innecesarios. Es un software de diseño de sólidos basados en operaciones sobre bocetos 2D que pueden ser extruidos y recortados para generar objetos 3D, además de permitir la importación de modelos CAD de otros softwares existentes, como Autodesk Inventor, AutoCAD, etc. Después se construyó
el dominio, que cuenta con las dimensiones siguientes: un cuadrado 850 x 850 m, y una altura de alcance hasta los 200 m, para realizar el mallado posteriormente. (Figura 2.4) En comparación con los casos estudiados en el Capítulo anterior es un dominio pequeño, donde no se tuvo en consideración la orografía del terreno ni los obstáculos cercanos a la estructura como los árboles adyacentes a él, por la complejidad que tiene en el proceso de la discretización.
Figura 2.4. Representación del dominio y la geometría importada al ANSYS.
El autor se decidió por una altura de 200 m, para para prevenir una aceleración artificial del flujo sobre los edificios. Las estructuras no se encuentran en centro del dominio como se puede apreciar en la figura 2.4, debido a que el autor la dejó por defecto cuando la introdujo en el dominio.
2.2-3. Discretización del dominio mediante ANSYS Meshing
La discretización del dominio se realizó con el software ANSYS Meshing (AM) (Figura 2.5). Este software es capaz de soportar 4 tipos de mallas (Hexaédrica, Prismática, Piramidal, Tetraédrica) para el mallado de volúmenes sólidos.
La diferencia fundamental entre los tipos de mallados radica en el número de nodos que poseen las geometrías de los elementos que la conforman, (Figura 2.6). Los elementos de mayor calidad son los de tipo hexaédricos que poseen un total de 8 nodos, los de tipo prismáticos 6 nodos, las mallas piramidales 5 nodos y por último y con solo 4 nodos los elementos tetraédricos. El tamaño del mallado es otro buen punto de vista para la obtención
de buenos resultados en la simulación. Los volúmenes de control del dominio deben ser lo más pequeños posibles en las condiciones de frontera donde ocurren cambios.
Figura 2.5.Árbol de jerarquías y barra de propiedades.
Figura 2.6. Comparación entre los 4 tipos de mallas posibles de generar con ANSYS
Meshing, a) Hexaédrica, b) Prismática, c) Piramidal, d) Tetraédrica.
ANSYS Meshing genera por defecto un mallado automático de la geometría definida, donde los elementos, tanto globales como locales se pueden editar, para obtener un mallado que corresponda a los objetivos planteados en cada caso que se estudie. En este caso se modificaron elementos globales para el refinamiento de todo el volumen del dominio, y consistió en cambiar parámetros en la barra de propiedades, en el árbol de jerarquías de la figura 2.5. Se asignaron los valores de fine (fina) a la propiedad Relevance Center
(Relevancia de centro), médium (medio) a la propiedad Smoothing (suavizado) y con un tamaño de elementos por defecto que proporciona el mallado, además el autor optó por una relevancia de 100, para obtener mayor cantidad de elementos. La malla que se obtuvo está constituida por una malla tetraédrica fina, con un total de 150 808 nodos y 835 992 elementos de enlace de los nodos de la malla. (Figura 2.7)
Figura 2.7. Discretización de la geometría y el dominio por defecto del programa. Como no se obtuvo una malla hexaédrica por defecto, se tuvo que desarrollar un mallado de elementos locales, dando como resultado una malla con 1 186 141 elementos y 1 022 561 nodos, tamaño de cada elemento de la estructura de 1 m y el tamaño de los elementos más alejado de los edificios son de 4 m. (Figura 2.8)
Figura 2.8. Discretización obtenida a través de elementos locales
De las dos discretizaciones realizadas el autor se decidió trabajar con el mallado hexaédrico, debido a que esta permite que tengan un mejor ordenamiento espacial respecto a la no estructurada, facilitando la transmisión de información de un nodo a otro.
2.2-4. Condiciones de contorno
Posterior a la discretización, se procede a establecer las condiciones del dominio. Al igual que fueron definidas las dimensiones de las paredes del dominio, deben tratarse de forma independiente, debido a que cada una representa la frontera del modelo, por lo que en ellas se definen las variables de entrada y salida a resolver. En la figura 2.9 se muestra la
representación geométrica en 3D delimitada por el dominio el cual es acotado por las paredes señaladas con flechas.
Figura 2.9. Delimitaciones de del dominio elaborado.
El módulo de Fluent (Figura 2.10) asigna automáticamente características físicas al modelo de la simulación. Tales son: el tipo de fluido es aire a 25°C de temperatura, con una densidad de 1,185 kg/m3 y una viscosidad dinámica de 1,831*10-5 kg/ms.
Figura 2.10. Ventana de trabajo del módulo Fluent.
En la ventaja de trabajo del módulo Fluent permite modificar las condiciones de entradas de las velocidades del viento, permite seleccionar el modelo de turbulencia con que se desea realizar el ensayo, además permite verificar los resultados obtenidos mediante la opción de
2.2-5. Etapa de solución
Esta etapa se realiza en el módulo ANSYS Fluent–Solver donde se carga y se calcula el caso desarrollado, la labor del usuario en esta etapa es establecer los parámetros correspondientes para el ensayo que se va a realizar, además de introducir el valor de las iteraciones necesarias para correr la simulación. Los ensayos se realizarán en una PC con 4 GB de RAM, sistema operativo Windows 10 para 64 bit. Las velocidades del viento para el ensayo numérico en el software, se seleccionaron a partir de un estudio realizado en el Aeropuerto Herrera representado en la figura 1.6 del primer Capítulo (Anexo 3).
Los valores de la velocidad del viento en la tabla del Anexo 3 están expresados en km/h, el autor determinó para eso mismo valores su equivalente en m/s ubicándolos en una columna a la derecha de la misma. Se seleccionaron tres valores: 4,5 m/s, un valor por encima de los determinados para conocer el comportamiento del viento en caso que el viento se mantuviese fuera del rango de velocidad determinado en la tabla y así se evalúa también para los valores máximos de la tabla; 3,5 m/s un valor intermedio que permitirá evaluar las velocidades en un rango que no llega a ser mucho menor ni mucho mayor al con respecto al de la tabla; 2,5 m/s para evaluar el potencial eólico en un rango de velocidades muy bajas.
2.2-5.1. Designación de las unidades de medidas
En la sección Solution Setup se encuentran las siguientes pestañas: General (Figura 2.11): se establece el tipo de análisis:
Tipo (Type): basada en la presión (Pressure-Based) o la densidad (Density-Based).
Tiempo (Time): análisis en un momento fijo (Steady) o a través del tiempo (Trasient), en el cual se define las marcas de tiempo.
Formulación de la velocidad (Velocity Formulation): relativa (Relative) o absoluta (Absolute).En esta ficha solo trabajamos en la opción de unidades, seleccionado dentro de esta opción seleccionamos Length, damos clic en list y cerramos la ventana.
Figura 2.11. Ficha “General”
2.2-5.2. Selección del modelo de turbulencia
De acuerdo a los casos de estudios analizados en el Capítulo anterior, los autores de los casos de estudios, trabajaron con los modelos de turbulencia k-ε de Modelo de Re- Normalización de Grupo k-ε (RNG k-ε), Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS), y en los dos casos donde se utilizaron el software UrbaWind, se utilizó el modelo de turbulencia Spallart-Allmaras que resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes a través de una sola.
Se decidió por el modelo k-ε de Modelo de Re-Normalización de Grupo k-ε (RNG k-ε), el cual se caracteriza por su robustez, economía de recursos computacionales y una razonable precisión para una amplia gama de flujos turbulentos. Se trata de un modelo semi-empírico compuesto por dos ecuaciones de transporte que rigen el comportamiento de la energía cinética de las turbulencias (k) y su tasa de disipación (ε). La ecuación del transporte de k proviene de la original (ecuación del transporte de Reynolds), mientras que la de ε fue obtenida por deducciones físicas y varía ligeramente de su expresión matemática exacta. En la resolución de este modelo se asume que el flujo es totalmente turbulento y que los efectos de la viscosidad molecular son despreciables, por lo que solo será válido para este tipo de flujos. (Bustamante, 2014)
Figura 2.12. Ficha de selección del modelo de turbulencia
2.2-5.3. Selección del número de iteraciones
El número de iteraciones que va a tener el modelo a la hora realizar los cálculos con el objetivo de lograr una mayor convergencia para así ajustar de forma iterativa la ecuación hasta obtener el porciento error más bajo para el modelo que se decidió trabajar. En los casos estudiados solo el de Aro (2014) especifica la cantidad de iteraciones utilizadas en el módulo de CFX, con una cantidad de 300 mínimos y una máxima de 900 iteraciones, en las demás investigaciones los autores no plantean la cantidad de iteraciones realizadas en sus respectivos casos, para el caso de estudio de esta investigación el autor se decidió por 700 iteraciones (Figura 2.13), debido a que no se dispone de tecnologías de punta para realizar los ensayos numéricos correspondientes y se cuenta con un tiempo limitado para dar respuesta al problema de investigación.
2.3- Conclusiones parciales
1. No se tuvo en cuenta en la construcción de la geometría, los obstáculos como la vegetación cercana a la zona de estudio, tampoco se concibió las estructuras aledañas a INTEC, lo que conlleva a que en los resultados no sean tan exactos en cuanto a la turbulencia que se crea en sus alrededores.
2. Los valores de velocidad para la realización del ensayo, fueron: un valor de 4,5 m/s, un valor que se encuentra por encima del promedio máximo en ese período; se seleccionó un valor intermedio de 3,55 m/s y un mínimo valor de 2,55 m/s.
3. Se selecciona dentro de los modelos de turbulencia el k-épsilon, con el modelo de Re-Normalización de Grupo K-ε (RNG-k-ε), porque incluye funciones de amortiguamiento que facilitan la aproximación a bajos números de Reynolds, mejora la predicción de flujos con rotación y da mejores resultados en casos de separación de flujo.