ANÁLISIS COMPUTACIONAL DEL FLUJO Y LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN SILENCIADOR PARA EL SISTEMA DE ESCAPE DEL MOTOR DE UN TRACTOR
SANTIAGO HERNÁNDEZ MEDINA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 2014
ANÁLISIS COMPUTACIONAL DEL FLUJO Y LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN SILENCIADOR PARA EL SISTEMA DE ESCAPE DEL MOTOR DE UN TRACTOR
SANTIAGO HERNÁNDEZ MEDINA
Proyecto de Grado presentado a la Universidad de los Andes para optar por el título de Ingeniero Mecánico
Profesor Asesor:
ANDRÉS GONZÁLEZ MANCERA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 2014
AGRADECIMIENTOS
El siguiente segmento tiene como fin agradecer a las personas que hicieron posible que culminara con éxito mi proyecto de grado.
A mi madre Astrid, sin ella nada de esto podría ser posible, su fortaleza, templanza, paciencia en la forma como lleva su vida demuestran que nada en la vida es imposible.
A mi padre Tito, sin su ayuda, sus ánimos, su compasión, confianza y disposición, no lo hubiera podido lograr.
Al profesor Andrés González, por ser un incondicional apoyo y por aceptar prestarme su guía y disposición para la realización de este proyecto.
A mi novia Daniella Sclafani, por estar día y noche junto a mí, por estar siempre pendiente de mí y preocuparse por mí de la única manera que ella lo sabe hacer.
A mi primo Daniel Suárez, por estar atento a mis problemas y brindarme su ayuda desinteresada cuando más lo necesitaba.
A mi hermano Julián, que me da ánimos y con el que siempre puedo contar.
A mi tío William, que siempre le estaré agradecido por su preocupación, sus enseñanzas y por sus palabras de aliento.
A Sebastián Bautista por ser el mejor amigo que la vida puede dar, por su incondicional compañía.
A mi familia en general por tener fe y creer en mí.
RESUMEN
El objetivo de este proyecto es realizar un análisis exhaustivo de un
silenciador diseñado para el sistema de escape de un tractor, lo que se
quiere analizar es el desempeño del silenciador a diferentes
configuraciones geométricas, y también cual es el comportamiento de
la transferencia de calor y el comportamiento a la variación de
temperatura utilizando herramientas computacionales, como lo son el
CFD, para así por medio de simulaciones poder entender de manera
teórica y realizando una aproximación de la realidad lo que puede
ofrecer este software para predecir el comportamiento de un
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 7
2. OBJETIVOS ... 10
2.1 Objetivo general ... 10
2.2 Específicos: ... 10
3. MARCO TEORICO ... 10
3.1 Silenciadores ... 10
3.1.2 Concepto General ... 10
3.1.3 Clases de silenciadores ... 11
3.1.4 Parámetros de Diseño ... 12
3.2 CFD (FLUENT) ... 15
3.3 MODELO DE TURBULENCIA STANDAR K-OMEGA, RESOLVIENDO LA DINAMICA DEL FLUJO ... 18
3.4 DISEÑO FACTORIAL 2K ... 19
3.5 Modelo de Transferencia de Calor y efectos de la Temperatura ... 21
4. ANÁLISIS DE LA DINÁMICA DEL FLUJO EN EL SILENCIADOR ... 22
4.1 METODOLOGIA ... 23
4.1.1 CONSIDERACIONES PARA EL MODELO DE LA SIMULACION ... 24
4.1.3 CONVERGENCIA DE LA MALLA ... 37
4.1.4 DISEÑO DE EXPERIMENTO FACTORIAL 2K ... 39
4.2 RESULTADOS ... 42
4.2.1 RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS FACTORIAL ... 42
4.2.2 RESULTADOS PARA EL DISEÑO FINAL SELECCIONADO ... 47
4.3 COMPROBACIÓN DEL MODELO POR MÉTODOS EXPERIMENTALES ... 48
5. ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL SILENCIADOR. ... 50
5.1 PLANTEAMIENTO DEL MODELO DE TRANSFERENCIA DE CALOR ... 51
5.2 SUPOSICIONES INICIALES EN EL MODELO. ... 52
5.3 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA CONVECCIÓN EXTERNA FORZADA ... 53
5.4 SIMULACIÓN EN ANSYS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR ... 56
5.4 RESULTADOS SIMULACIÓN TRANSFERENCIA DE CALOR ... 58
6. CONCLUSIONES ... 63
1. INTRODUCCIÓN
La industria automotriz colombiana es un sector de la economía que ha
crecido fuertemente durante la última década y principios de esta,
representa un porcentaje considerable del PIB colombiano y también
genera una cantidad de empleos que llegan de alrededor del 2,5% (P.,
2012), la principal subdivisión que compone este sector son las empresas
ensambladoras, la industria se basa en la importación de partes para ser
ensambladas dentro del país, todavía no se ha generado una industria
de producción propia en el país, y si se requiere llegar a tener este tipo
de alcance y lograr tener una industria automotriz totalmente sostenible
en el país, es necesario realizar investigación.
Aunque fundamentalmente la industria automotriz solo cobija el
desarrollo de vehículos comerciales o de transporte, el sector agrícola
también requiere de esta clase de maquinaria, claramente enfocado
en el sector, por ejemplo el uso de tractores para el sector agrícola
también hacen parte de esta industria, se hace necesario el uso
intensivo de cambio de partes o de fabricación de repuestos que sean
totalmente funcionales y competitivos con las refacciones traídas del
exterior, se requiere de un gran impulso en la parte investigativa
enfocado en el diseño y fabricación de autopartes totalmente
desarrolladas dentro del país, ya que esto podría significar altos costos y
necesario entonces delegar esta investigación al sector educativo y
universitario.
Datos sacados del informe de la ANDI sobre la producción de
autopartes la siguiente es una lista de cuáles son las que se producen en
mayor medida en la industria de colombiana: ¨sistemas de suspensión,
sistemas de dirección, sistemas de escape, sistemas de transmisión,
sistemas de refrigeración, material de fricción, partes eléctricas como
baterías y cableados, productos químicos, rines, llantas, filtros para aire,
lubricantes y combustibles, tapicerías en tela y cuero, trim interior, vidrios
templados, laminados y para blindaje, bastidores de chasis, aires
acondicionados, partes de caucho y metal y accesorios¨ (ANDI
(Asociacion Nacional De Empresarios de Colombia), 2011). En general
podemos observar una amplia gama de autopartes y refacciones
fabricadas a nivel nacional, esta industria según el mismo informe de la
ANDI genera 4639 puestos de trabajo (ANDI (Asociacion Nacional De
Empresarios de Colombia), 2011).
Dado que esta puede representar una industria que a largo plazo
puede llegar a ser un sector de altos ingresos para el país, ya que el
objetivo no es solo fabricar refacciones o autopartes a nivel nacional, si
no también ser competitivos en la región y poder generar ingresos
mirar a este sector y realizar más inversión por parte del gobierno
dirigido a este sector industrial.
Del listado anterior una de las autopartes nombradas son los sistemas de
escape, en general estos se encuentran ligados a cualquier tipo de
motor, es decir desde un automóvil, tractor o vehículo automotriz en
general, hasta equipos electrógenos de generación de energía o
motores diesel, estas autopartes tienen un mayor mercado y por lo tanto
resultan ser un componente común en la industria colombiana, puesto
que para la fabricación o generación de energía, movimiento o
proceso se hace necesario el uso de estos, una reglamentación
importante en la industria es la atenuación de la contaminación
auditiva, y los sistemas de escape referidos principalmente a los
silenciadores son el corazón fundamental en el desempeño de esta
atenuación sonora, el desarrollo, diseño y análisis de estos componentes
resulta pues fundamental en nuestra industria, ya que cumple un
propósito obligatorio que es la no contaminación.
El propósito de este proyecto consiste en proponer y analizar un diseño
de reingeniería de un silenciador ya existente, solicitado por una
empresa colombiana de fabricación de tractores, SERVINTEC, el
proyecto está conformado por un equipo de estudiantes de pregrado y
posgrado en ingeniería mecánica, y este se encuentra en su etapa
para la empresa utilizando herramientas computacionales, para efectos
de este documento el software utilizado es ANSYS FLUENT.
2. OBJETIVOS
2.1Objetivo general
Realizar el análisis de un silenciador para el sistema de escape de un
tractor, haciendo uso de herramientas computacionales.
2.2Específicos:
Estudio del estado del arte en el modelamiento de flujo por
sistemas de escape mediante métodos computacionales.
Implementación y verificación de modelos computacionales
que permitan predecir la contrapresión.
Implementación de modelos térmicos que permitan predecir la
transferencia de calor y la distribución de temperaturas en
sistemas de escape.
3. MARCO TEORICO
3.1Silenciadores
3.1.2 Concepto General
Los silenciadores son el componente del sistema de escape que
se encarga de la atenuación de los ruidos y las ondas de presión
provenientes de cualquier motor, un mal diseño o configuración
proveniente del motor y también puede inducir a bajar el
rendimiento del mismo, las ondas generadas por el motor son
causadas por los gases provenientes del motor que salen a
velocidades considerables donde la válvula del exosto se cierra y
abre rápidamente generando ondas de presión que llegan
posteriormente al silenciador para ser atenuados.
3.1.3 Clases de silenciadores
En general existen dos grandes clases de silenciadores cada uno
tiene sus ventajas y desventajas, se clasifican en la forma como
amortiguan el ruido, los encontramos de tipo reflectivo y
absortivo:
Ilustración 1 Clases de silenciadores Reflectivos y Absortivos (Potente, 2005).
Los de tipo reflectivo utilizan cámaras de expansión y
perforaciones que realizan que las ondas de presión encuentren
destructivas desfasadas 180 grados y atenúen el ruido, estas
resultan ser bastante efectivas a la hora de realizar la atenuación
porque el principio radica principalmente en la generación de
ondas destructivas, pero sin embargo el mayor problema de este
es la contrapresión que genera debido a su funcionamiento, esta
contrapresión que genera impide que los gases fluyan de manera
adecuada al exterior causando que se dé entrada de flujo hacia
el interior del motor causando que este baje su rendimiento y su
funcionamiento se vea afectado.
Los de tipo absortivo son más sencillos, poseen un material
absortivo que amortigua las hondas sencillamente
absorbiéndolas, su atenuación de ruido no resulta ser comparable
con los silenciadores de tipo reflectivo, además de que es
necesario estar pendiente de su mantenimiento puesto que se
hace necesario verificar el estado del material absortivo ya que
este se deteriora y pierde su capacidad de amortiguamiento,
pero sin embargo este mantiene una contrapresión baja a
comparación del modelo reflectivo.
3.1.4 Parámetros de Diseño
Del informe de (Potente, 2005) nos enumera algunos parámetros
mayor a menor importancia se mencionan y se explican a
continuación:
3.1.4.1 Perdida de Transmisión: La pérdida de Transmisión es la capacidad que tiene el silenciador de en un rango de
frecuencias poder atenuar el ruido proveniente del motor, este
por estar relacionado con la función principal del silenciador
resulta ser el parámetro más importante a la hora de diseñar el
silenciador, se toma en cuenta en que rangos de frecuencia
trabajara el silenciador y como en el caso del tipo reflectivo se
diseñara las cámaras de expansión y las perforaciones de tal
manera que amortigüen lo mejor posible el ruido.
Grafica 1 Perdida de Transmisión Diseño Original vs Diseño Base (Aguilar, 2014)
La grafica anterior muestra cómo se comporta el diseño original
con respecto al nuevo diseño del silenciador que será objeto de
estudio en este proyecto. -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 100 200 300 400 500 600
TL
Frecuencia [Hz]
Perdida de Transmisión a 600°C
Original
Diseño Base
3.1.4.2 Contrapresión: Como se mencionó anteriormente para la clase de silenciadores el otro parámetro de gran importancia es la
contrapresión, es decir la presión que se encuentran los gases del
motor al entrar al silenciador y que dificultan el flujo de estos al
exterior, lo que siempre se desea a la hora de diseñar un
silenciador teniendo en cuenta este parámetro es mantenerlo lo
más bajo posible sin que afecte su desempeño acústico, es
necesario determinar desde que punto se ve afectado el
desempeño del motor considerablemente para así fijar un límite y
poder trabajar sobre su desempeño, esto solo puede ser
determinado ya sea realizando experimentación y calculando la
presión a la entrada del silenciador, por métodos
computacionales como se mostrara más adelante, o por ultimo
realizando cálculos teóricos para resolver el flujo del silenciador.
3.1.4.3 Perfil de Temperaturas: La temperatura del silenciador puede ser de suma importancia, este resulta necesario puesto
que en ciertos casos querremos que la transferencia de calor del
interior del silenciador al exterior sea lo mínimo posible y que el
material sea el adecuado para su diseño, se tiene que tener en
cuenta que los gases que salen del motor pueden salir a grandes
temperaturas, como se menciona en el documento de proyecto
de 700 ªC a 100 ªC, estas altas temperaturas no solo afectarían la
estructura del silenciador sino además otros componentes
importantes alrededor de este.
3.1.4.4 Otros: Algunos otros parámetros menores pueden ser importantes a la hora de seleccionar o diseñar un silenciador,
como pueden ser los costos de fabricación o de adquisición, el
tamaño puede ser otro factor determinante si por ejemplo en el
sistema que se tiene no da cabida para un silenciador muy
voluminoso, la vida útil es decir cuánto esperamos que sea
necesario realizar otro cambio de silenciador por ejemplo en los
de tipo absortivo tienden a perder su funcionalidad después de
cierto tiempo debido al desgaste, y en algunos casos más
específicos el ruido que se quiera generar será otra variable
importante, como se sabe el ruido del motor de un carro a la final
será determinado por el silenciador y dependiendo de como este
diseñado tendrá sonidos más agradables o particulares, algunas
compañías de automóviles ponen bastante énfasis en este
parámetro y diseñan el silenciador para obtener sonidos
específicos y característicos.
La herramienta que se utilizara a lo largo de este proyecto será el
CFD que trae incorporado el paquete de análisis de elementos
finitos de ANSYS, para entender cómo se realizan las simulaciones
es necesario comprender como FLUENT cuál es su importancia y
como funciona, por las siglas CFD que significan Computational
Fluid Dynamics, se entiende que el principal uso de esta
herramienta es poder simular el comportamiento de un fluido en
cualquier situación, este software permite utilizar cualquier fluido,
puesto que permite definirlo por medio de sus propiedades físicas,
interactuando con cualquier geometría, ya que es posible
importar CADs que nos permitan definir las geometrías y los
volúmenes de control donde se deseara realizar énfasis, y por
ultimo definir con ciertas variables de entrada que en adelante se
conocerán como condiciones de frontera, como se comporta el
fluido, en términos dinámicos y estáticos además de poder
determinar cómo cambian sus propiedades a lo largo de la
simulación.
Esta herramienta aunque pudiera ser menospreciada en algún
ámbito industrial, resulta ser bastante útil y económica, así como
los modelos o prototipos de una maquina nos permiten por medio
de métodos experimentales predecir cómo será su
CFD permite poder probar maquinas u objetos que estén
interactuando con un fluido sin la necesidad de llevarlos al plano
material, si se dan cambios inesperados en el diseño o en la
condición de la simulación el CFD permite rápidamente, a
comparación de métodos anteriores, cambiar variables y mirar
cómo estas afectan el desempeño o la variable que sea de
nuestro interés, es además una herramienta de diseño, puesto que
por procesos iterativos es posible encontrar que se adecua
apropiadamente al problema que se desea resolver, en términos
generales es un gran ahorro de dinero en primeras etapas de
diseño porque permite ahorrar tiempo, descartar opciones y llegar
de manera más acertada a una solución.
Como funciona de manera general un paquete de CFD como
FLUENT, es necesario definir un problema involucrado con un fluido
en donde requerimos cuantificar, verificar o monitorear una
variable en particular del fluido o geometría que interactúa con
él, teniendo esto en cuenta y ya con nuestra geometría
identificada, definimos un volumen de control donde se
necesitara evaluar específicamente la variable mencionada.
Paso siguiente es necesario discretizar nuestro volumen de control,
esto resulta necesario puesto que para que el software pueda
que lo involucra, este resolverá las ecuaciones de conservación
de momento, conservación de masa, conservación de la energía
y si el modelo es turbulento resolverá las ecuaciones de
transporte, como estas serán ecuaciones diferenciales requieren
de condiciones iniciales o condiciones de frontera que serán
definidas por el usuario, paso seguir cuando todos los parámetros
que requiere el CFD para realizar la simulación, este comenzara a
encontrar la solución del problema.
Como ya tiene todo el dominio del flujo discretizado lo que hará el
CFD dependiendo de cómo se le ordene realizar el cálculo este
resolverá las ecuaciones diferenciales enunciadas anteriormente
con cada uno de los elementos que componen el dominio, para
cada uno encontrara la condición de entrada del siguiente y
resolverá así sucesivamente el dominio del flujo.
3.3MODELO DE TURBULENCIA STANDAR K-OMEGA, RESOLVIENDO LA DINAMICA DEL FLUJO
Como se mencionó en el segmento anterior si el problema
involucra un régimen turbulento del flujo, será necesario
seleccionar el modelo adecuado del CFD para que este resuelva
lo más preciso posible la dinámica del flujo, por lo tanto a
continuación se explicara a fondo como funciona y por qué se
El modelo K-omega utiliza dos ecuaciones adicionales de
transporte, para resolver la variable k que representa la energía
cinética y ω como el radio de disipación especifico del modelo
(ANSYS Inc, 2012).
A continuación se presentan las dos ecuaciones utilizadas por
ANSYS para resolver la turbulencia con este modelo (ANSYS Inc,
2012):
( ) ( ) (
) ( )
( ) ( ) (
) ( )
Las razones por que se escogió el modelo se señalan a
continuación:
• Es de bajo costo computacional.
• Tiene buena precisión en condiciones de frontera con
paredes y flujos internos.
• Útil para modelos con turbulencia cercanos a la
transición.
• Ajustable a geometrías complejas.
Durante el desarrollo del proyecto fue necesario para realizar el
análisis del silenciador utilizar herramientas estadísticas, la principal
fue el diseño de experimentos utilizando el modelo factorial 2k, en
este espacio se explicara de manera general cual es la función
de este diseño de experimentos y como fue utilizado.
El diseño factorial 2K es una herramienta estadística que permite
observar los efectos que tienen varias factores sobre una misma
variable, se llama 2k puesto que cada factor se analiza en dos
niveles de intensidad, por ejemplo un nivel alto y un nivel bajo de
intensidad, esta herramienta es útil para poder entender como la
geometría del silenciador afecta directamente el desempeño del
mismo, lo poderoso de este estudio paramétrico es que es
completamente estadístico donde se puede observar como los
factores en solitario o en conjunto puede mejorar o empeorar el
desempeño del silenciador, para nuestro caso de estudio la
contrapresión será la variable que se analizara más adelante,
para plantear el diseño de experimentos se propone cuantos
factores se pondrán a variar y cuáles serán sus dos niveles de
intensidad, dependiendo del número de factores esto nos
indicara el número de combinaciones que son necesarias para
factores que se utilizaran en dos niveles de intensidad de cada
una esto nos da un total de:
Por lo tanto será necesario realizar dieciséis combinaciones de los
niveles de cada variable, dependiendo de la posibilidad de llevar
acabo las réplicas y los experimentos pueden hacerse más de
una réplica, pero con una réplica es posible analizar los resultados,
las formulas y la forma como se lleva el método de análisis varia
con respecto al número de réplicas y el número de factores
(Montgomery, 2004).
3.5Modelo de Transferencia de Calor y efectos de la Temperatura
Para entender como sucede la transferencia de calor en los
silenciadores se da principalmente por la entrega de energía en
forma de calor que trae el aire al salir a una elevada temperatura
del motor y entrar al silenciador con esta temperatura e
interactuar con la geometría, además por el movimiento del
vehículo en el que se encuentre, se dará perdida de calor por las
paredes al exterior y por la convección forzada externa este
quitara gran parte de este calor por el diferencial de
temperaturas entre el exterior y la temperatura del aire
Para tener en cuenta cómo las variables que influían en la caída
de presión, como la viscosidad y la densidad, estas se hicieron
dependientes de la temperatura con los siguientes modelos, para
la viscosidad se determinó que esta variara con la ley de
Sutherland ya que es propicia para modelar efectos de la
viscosidad debido a la temperatura en fluidos como el aire, la ley
de Sutherland se describe de la siguiente manera:
( ⁄ )⁄ ( )
( ) ( )
Donde los índices sub cero son las propiedades del aire para una
temperatura conocida sub cero y S una constante conocida
como la constante de Sutherland con esta expresión es posible
calcular la variación de la viscosidad debido a la temperatura,
esta es ideal para gases donde se tiene en cuenta que en el
aumento de la temperatura la viscosidad aumenta, pero también
es importante tener en cuenta el efecto de la densidad es por eso
que se calcula la densidad por medio me la ley de gases ideales
para gases incompresibles de la siguiente manera:
( ) ( )
Donde R es la constante universal y M masa molecular del aire.
Esta parte del proyecto corresponde al análisis completo realizado
en el silenciador para entender la dinámica del flujo en el diseño
propuesto en reemplazo al silenciador inicial fabricado por
SERVINTEC para el sistema de escape del tractor a continuación se
mostrara paso a paso como utilizando las herramientas
computacionales y los análisis estadísticos se llegaron a conclusiones
sobresalientes sobre el comportamiento y la dinámica del flujo dentro
del silenciador.
4.1METODOLOGIA
Para poder comprender el comportamiento de la nueva
geometría propuesta por el grupo de investigación en cuanto al
desempeño en la dinámica del flujo y como esta afecta la
contrapresión se llevó a cabo el siguiente esquema:
4.1.1 CONSIDERACIONES PARA EL MODELO DE LA SIMULACION Como primer paso para desarrollar el análisis de la
dinámica entre el flujo y el silenciador fue necesario tomar
consideraciones y suposiciones para realizar las
simulaciones correspondientes y poder realizarlas y
justificarlas de tal manera que se realizaran simplificaciones
coherentes que posteriormente no se vieran reflejadas en
unos resultados distorsionados y alejados de la realidad,
estas consideraciones fueron tomadas del proyecto de
grado anterior donde el estudiante Santiago Amaya
propone las siguientes consideraciones en el modelo estas
aplicadas para el diseño original del silenciador, que por
extensión ya que para la finalidad de este trabajo es
analizar la nueva geometría serán extendidas estas
suposiciones para facilitar el proceso de análisis y tener
congruencia con lo ya desarrollado anteriormente.
• Se toma como fluido de trabajo aire, suponiendo que la
composición química y sus propiedades no difieren
sustancialmente con los gases provenientes del motor
(Amaya, 2013).
• La temperatura del aire a la entrada es de
• La presión manométrica a la entrada del silenciador es
de aproximadamente 12.45 kPa (Amaya, 2013).
• Velocidad a la entrada del silenciador de 45 m/s y
presión a la salida igual a la presión atmosférica (Amaya,
2013).
Las consideraciones anteriores fueron desarrolladas durante el
proyecto de grado del estudiante Santiago Amaya, estas en
general determinan condiciones de entrada, propiedades del
fluido y simplificaciones de gran importancia, al entender el fluido
como gas ideal incompresible el modelo de simulación trabajara
basado en un cálculo basado en la presión mas no en la
densidad, al tener una temperatura definida es posible
determinar más adelante como afecta la temperatura el
desempeño del silenciador, por último la presión definida en las
condiciones anteriores es una Contrapresión limite, es decir se
desea que el silenciador presente una caída de presión mucho
menor a lo propuesto inicialmente.
4.1.2 PASO A PASO SIMULACION
A continuación se explica cómo se llevó paso a paso cada
simulación realizada en este proyecto, por el momento no se
análisis de transferencia de calor lo siguiente solo involucra la
simulación para la dinámica del flujo.
1. Ubique la carpeta con el programa ANSYS y seleccione el icono que lleva por nombre Workbench 14.5
2. Aparecerá una ventana como se muestra en la figura (),
seleccione en la columna izquierda de la pantalla el tipo
de análisis de sistema como Fluid Flow (Fluent)
Ilustración 2 Paso 1 Simulacion FLUENT
3. Aparecerá un listado de objetos que tienen que ser cumplidos para llevar a cabo la simulación.
Ilustración 3 Paso 3 Simulación FLUENT
4. Comience por seleccionar la casilla de la geometría haga click derecho sobre la casilla y podrá o importar una
geometría en un formato como .igs o tiene la posibilidad
de entrar en el editor de geometría y generar una nueva o
modificar algo en la ya preestablecida, es necesario
entender que para facilidad en el desarrollo de la
simulación no se importó la geometría sólida en si del
silenciador si no la superficie o el volumen de control por
donde el fluido iba a estar.
5. Cuando la casilla de geometría tenga un chulo en verde esto significa que puede proceder a generar el mallado de
la geometría en este caso del volumen de control, por o
tanto en la casilla de Mesh haga click derecho y
seleccione Edit, aparecerá la siguiente ventana donde
Ilustración 4 Paso 5 Simulación FLUENT
6. En el editor de la malla es necesario realizar dos cosas, nombrar las entradas y salidas del silenciador y especificar
que partes se requieren generar un mayor refinamiento de
malla
7. Determine por donde entrara y saldrá el fluido, cuando tenga esto definido utilizando el selector de caras
y seleccione la entrada o las entradas,
luego con la cara seleccionada presione click derecho y
escoja CREATED NAME SELECTION, aparecerá un cuadro
como el que se observa a continuación, cambie el nombre
selection por el de inlet, esto por conveniencia ya que el
programa entiende que es una entrada, lo mismo
Ilustración 5 Paso 7 Simulación FLUENT
8. Utilizando el selector de caras seleccione la parte de la geometría que requiere un mayor refinamiento, con las
caras seleccionadas haga click derecho-insert-metod,
aparecerá el siguiente listado:
Ilustración 6 Paso 8 Simulación FLUENT
La herramienta sizing permitirá que la computadora
determine un tamaño apropiado para esa geometría, el
contact sizing hará lo mismo pero en las cercanía o
frontera entre dos geometría, Mapped Face Meshing
dirección particular, el Refinement solo generara un
refinamiento general para la zona seleccionada y por
último el inflation generara una malla direccionada en los
bordes o fronteras de la superficie.
9. Por último se establecerán las características de la malla
como se muestran a continuación
Ilustración 7 Paso 9 Simulación FLUENT
10.Luego en la casilla de mesh seleccionamos Update o generate mesh.
Ilustración 9 Ejemplo de Malla para las simulaciones de flujo
11.Ya con la malla terminada y en la casilla del workbench con el chulito verde se prosigue a ajustar los parámetros de
la simulación así que nos vamos para la casilla Set up y
ponemos doble Click, aparecerá el siguiente cuadro de
dialogo.
Ilustración 10 Paso 11 Simulación FLUENT
SI se tiene a disposición un computador de alto
rendimiento es posible desarrollar las simulaciones en
computador, si se tienen 8 núcleos es necesario utilizar uno
menos de los que se disponen ya que el ultimo será para
utilizar la memoria, por ejemplo en este caso serían 7 los
procesos esto permite que las simulaciones converjan mas
rápido y el tiempo de simulación se reduzca
drásticamente. Los otros parámetros son ajustados como
vienen por default.
12.Se abrirá el Set Up de la simulación y se procederá a configurar los parámetros de entrada de la misma, el
primer paso es ubicarse sobre la columna de la izquierda
en General donde saldrán las siguientes opciones:
Ilustración 11 Paso 12 Simulación FLUENT
Se procederá a realizar click en check y posteriormente en
encuentra la malla en general los valores cercanos a cero
en los resultados del Check y Report Quality son valores
aceptables de la malla, de lo contrario sería necesario
revisar el tamaño de los elementos y posibles errores en el
mallado, como se indicó anteriormente el tipo de Solver
será basado en la presión ya que no tendremos en cuenta
los efectos de la compresibilidad, para fluidos como el aire
la gravedad no resulta ser un factor relevante en el modelo
pero si se trabaja con un fluido liquido como el agua es
necesario establecer la gravedad y en qué sentido será
aplicada en la simulación.
13.Seleccione Models en la columna de la izquierda y solo
seleccione el modelo de viscosidad que será Standard
k-omega.
14.Seleccione Materials y cambie las propiedades de Densidad y viscosidad a un valor requerido o déjelos
constantes.
15.Seleccione Boundary Conditions para la condición de
entrada en nuestro caso una velocidad de entrada al
seleccionar el nombre otorgado a la entrada encontramos
Ilustración 12 Paso 15 Simulación FLUENT Condición de Frontera a la entrada
Es importante seleccionar en la turbulencia que los
parámetros de entrada sean la intensidad de la turbulencia
y el diámetro Hidráulico,
Observamos que la velocidad de entrada hace parte de
las suposiciones establecidas en la sección 4.1.1, también
es necesario poner la condición de frontera a la salida
Ilustración 13 Paso 15 Simulación FLUENT Condición de Frontera a la salida
En este caso la condición de salida es presión cero a la
salida tomando la referencia una presión a nivel del mar.
16.Seleccionamos en la columna de la izquierda Solution Methods y establecemos los siguientes parámetros:
Ilustración 14 Paso 16 Simulación FLUENT
Estos parámetros de solución determinan que clase de
ecuaciones diferenciales se utilizaran para resolver las
transporte y energía posteriormente, en algunos caso si la
solución no converge de la manera adecuada utilizar un
primer orden en la variable que no esté convergiendo y
posteriormente activar el segundo orden ayuda a la
convergencia de la solución.
17.Este paso es opcional y solo será utilizado si la convergencia resulta difícil en la simulación o si los valores
están divergiendo, seleccione Solution Controls en la
columna de la izquierda y aparecerá unos Factores para
cada variable, estos permiten que los pasos para calcular
cada ecuación diferencial se vean incrementados o
disminuidos haciendo más fácil la convergencia, sin
embargo esto solo debe ser aplicado si la simulacion no
converge, reduzca a la mitad el factor correspondiente
que está divergiendo en los residuales para mejorar la
convergencia.
18.Por ultimo en Solution Initialization utilice un método de inicialización Hibrido y ponga click en Initialize.
19.En Run Calculation presione sobre Check Case, si le muestra algún mensaje de error corríjalo y por ultimo
seleccione el número de iteraciones, para las simulaciones
pero el momento de parar solo es determinado por el
usuario cuando considere que ya convergió la simulación.
4.1.2.1 CONVERGENCIA DE LA SOLUCION.
Como determinar cuando la simulación convergió, es
necesario tener en cuenta dos factores, primero los valores de
los valores de los residuales deben de alcanzar un mínimo de
1e4, con respecto a las variables que involucran el momento,
la continuidad y las ecuaciones de transporte, en nuestro caso
la variable k y omega, en cambio los residuales de la energía
deben de alcanzar como mínimo 1e8 en los residuales, por
último los valores además de alcanzar esos niveles de
residuales deben de conservarse estables, es decir que ya los
residuales no varíen a medida que las iteraciones van
sucediendo.
4.1.3 CONVERGENCIA DE LA MALLA
Para poder comenzar a realizar las simulaciones
correspondientes al diseño factorial era necesario
establecer con que tamaño de malla era necesario
trabajar para obtener los resultados más precisos sin
generar un gasto computacional tan elevado por utilizar
una malla muy fina, ya que dependiendo de lo fina que sea
incrementan a medida que esta es muy fina, por lo tanto
con la geometría ya en mano se procedió a realizar varias
simulaciones a números de malla diferentes y poder
determinar cuando era posible tener independencia de la
solución con respecto al número de elementos de la malla,
a continuación los resultados tomando en cuenta la
contrapresión como variable de salida para poder
determinar el correcto número de elementos para la malla
que fue utilizado en todas las simulaciones.
Grafica 3 Convergencia de la Malla
Por ultimo para realizar una comparación y poder
determinar la diferencia porcentual una tabla identificando
que malla resulta ser la adecuada: 3,85 3,9 3,95 4 4,05 4,1 4,15 4,2
5,50E+05 1,05E+06 1,55E+06 2,05E+06
Co n tr ap re si o n (k Pa)
Tabla 1 Diferencias Porcentuales entre la malla más fina y las más gruesas
Se puede observar que el número de elementos que
incurren en un error bajo y con el que se puede lidiar la
dependencia del resultado con respecto a la malla es de
alrededor de 6e5 y 7e5 elementos, ya con esto en mente
este es el número de elementos implementado para todas
las simulaciones en adelante.
4.1.4 DISEÑO DE EXPERIMENTO FACTORIAL 2K
Luego de tener un modelo de simulación y un número de
elementos determinado se procedió a realizar el diseño de
experimento Factorial 2K utilizando 4 factores geométricos,
en la figura (15) observamos el diseño original confrontado
con la propuesta de diseño planteada por el grupo de
investigación donde en este proyecto sería analizado
Ilustración 15 Diseño Original Silenciador
Ilustración 16 Diseño Base Silenciador
Teniendo la geometría el modelo de simulación se
determinaron cuales factores geométricos serian evaluados
para poder determinar su relevancia con respecto al
desempeño del silenciador en la variable de contra presión,
ser analizados en el diseño factorial y la tabla (2) muestra en
que niveles se fijaron cada parámetro:
Ilustración 17 Factores Geométricos Diseño Factorial 2K
Tabla 2 Niveles de Factores Para Diseño Factorial 2K
Con todo el diseño de experimentos definido se procedió a
realizar las 16 simulaciones correspondientes del
determinar que parámetros geométricos ayudaban en
mayor medida a reducir la contrapresión.
4.2 RESULTADOS
4.2.1 RESULTADOS Y ANÁLISIS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS FACTORIAL
Se obtienen los resultados para las 16 simulaciones
correspondientes, donde cada una es una combinación de
la intensidad de cada uno de cada uno de los de los
factores, en la tabla (3) se muestra los resultados obtenidos
para las simulaciones con la variable de salida la
contrapresión.
Tabla 3 Resultados de Simulaciones para cada Combinación de Factores
Experimento Valor máx. de contrapresión
[kPa]
---- 2.150
+--- 1.678
-+-- 1.963
--+- 1.737
---+ 1.653
++-- 2.079
+-+- 1.864
+--+ 1.811
-++- 2.604
-+-+ 1.872
--++ 1.783
+++- 2.280
++-+ 2.083
+-++ 1.981
-+++ 2.021
Ya con estos resultados se procedió a realizar el análisis del
diseño factorial 2^k a continuación el grafico del diseño del
experimento: 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 D C B A 2221 1981 1783 2021 2083 1811 1653 1872 2280 1864 1737 2604 2079 1678 2150 1963
Gráfica de cubos (medias ajustadas) de Cont Pre
Grafica 4 Diseño de experimentos Factorial 2^4
Ahora se encuentra cual es el efecto que tiene cada
parámetro o combinación de parámetro en el diseño del
CD ABD ACD AC AB A BD D ABCD BC BCD ABC C AD B 350 300 250 200 150 100 50 0 T é rm in o Efecto 257,4 A A B B C C D D Factor Nombre
Diagrama de Pareto de los efectos
(la respuesta es Cont Pre, Alfa = 0,20)
PSE de Lenth = 174,375
Grafica 5 Diagrama de Pareto de los efectos en el diseño del silenciador
Se encuentra la gráfica de probabilidad normal contra el
efecto para mirar que combinación o parámetro cae más
alejado del promedio general de los efectos de los
500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 99 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 1 Efecto P o rc e n ta je A A B B C C D D Factor Nombre No significativo Significativo Tipo de efecto
B
Gráfica normal de los efectos
PSE de Lenth = 174,375
Grafica 6 Grafica de probabilidad Normal para el diseño de experimentos
Junto con el diagrama de probabilidad normal y el
diagrama de Pareto observamos que los parámetros y
combinaciones del mismo que más tuvieron repercusión en
la caída o subida de la contrapresión fueron: B, AD y C. Por
lo tanto se graficaron los diagramas de interacción tanto
individuales de B y C como el de interacción de AD como
1 -1 2150 2100 2050 2000 1950 1900 1850 1800 1 -1 B C o n tr a p re si ó n [ P a ] C
Gráfica de efectos principales para Cont Pre
Grafica 7 Grafica de los efectos principales B y C
Grafica 8 Grafica de Interacción AD
Si solo el proyecto hubiera estado enfocado en la
reducción del parámetro de contrapresión a la entrada del
silenciador, la mejor combinación de factores sería la de AD
o en solitario B, pero teniendo en cuenta que la parte
acústica tenía que tener un buen desempeño y dado el
caso que aunque se escogió en base a uno de los diseños
D- D- D+ D+ 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 - + Con tra p re sion [ kP a]
Intensidad de A
con mayor contrapresión de los experimentos, el diseño si
mejoro la contrapresión en comparación con el diseño
original.
4.2.2 RESULTADOS PARA EL DISEÑO FINAL SELECCIONADO
Con el diseño final seleccionado en base al desempeño acústico
y el desempeño en la variable de la contrapresión, se realizó la
simulación final del análisis de flujo donde se obtendrían los
siguientes resultados, en las siguientes imágenes se podrán
observar en general como son las líneas de flujo, como es la caída
de presión a lo largo del silenciador y por ultimo cual es la
contrapresión a la entrada del mismo.
Ilustración 18 Resultados de simulacion Dinámica de Flujo
En los resultados podemos observar claramente cómo serían las
líneas de flujo por todo el silenciador apreciando los cambios de
atravez de los orificios, la caida de presión es observable ya sea
en el plano transversal del silenciador donde la presión va
cayendo a medida que pasa por las cámaras, y se expande el
fluido, por ultimo vemos el contorno de presión a la entrada
donde encontramos que la máxima presión a la entrada es de
3.844 kPa.
Estos resultados nos dan a entender cómo se comportaría la
dinámica del flujo en el silenciador sin tener en cuenta los efectos
de la temperatura y la trasferencia de calor que serán los
analizados más adelante.
4.3 COMPROBACIÓN DEL MODELO POR MÉTODOS EXPERIMENTALES
En paralelo se desarrollaba este análisis el estudiante Diego
Barreto (Barreto, 2014), parte del grupo de investigación en este
proyecto se encargó de desarrollar un montaje experimental para
poder medir la contrapresión del silenciador del diseño original, ya
que con base al proyecto de grado anterior del estudiante
Santiago Amaya donde el propuso el modelo básico para la
implementación de la simulacion en el diseño original y
posteriormente puesto en marcha en el nuevo diseño, resultaba
necesario justificar el modelo y realizar una comparación
plausible, por lo tanto se tomaron los datos experimentales para la
se realizaron simulaciones con el diseño original a las mismas
condiciones que los experimentos, para así poder comparar los
resultados como se observa en la gráfica (9):
Grafica 9 Comparación resultados experimentales y Simulación (Barreto, 2014)
Para llevar a cabo las simulaciones fue necesario cambiar la
presión de referencia del solucionador a la presión de Bogotá, y
claramente trabajar con el diseño anterior, todo esto necesario
para poder validar el modelo de simulación y que para todos los
resultados obtenidos anteriormente en la dinámica del flujo fueran
justificados y ratificados por los resultados experimentales,
observamos en la gráfica como la curva de la simulación entra en
la incertidumbre de todos los datos, entonces por lo tanto el
acerca a la realidad y por lo tanto es posible seguir utilizándolo
para describir la física del problema.
5. ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL SILENCIADOR.
Las simulaciones realizadas para analizar la dinámica del flujo en el
silenciador fueron hechos sin los efectos de la temperatura, es decir
el aire que entraba al silenciador no se le especificaba una
temperatura de entrada, por lo tanto para entender cómo abordar
la transferencia de calor en el problema lo primero que se hizo fue
activar la ecuación de la energía en el paso 13 conjunto con el
Standard k-omega, esto permite que sucedan dos cosas, primero
que cuando se vaya a determinar las condiciones de frontera en el
paso 15 sea posible establecer una temperatura de entrada y
segundo permite hacer que variables como la viscosidad y la
densidad sean dependientes de la temperatura, como se estableció
en el marco teórico la ley de Sutherland seria la responsable de
calcular la viscosidad para los cambios de temperatura en el aire y la
ley de los gases ideales seria la responsable de calcular la densidad,
esto es posible de seleccionar en FLUENT en el paso 14. Teniendo esto
en mente se realizaron 8 simulaciones entre 300 K y 620 K para
y como dependía esta de la temperatura, en la gráfica (10) este
efecto:
Grafica 10 Efecto de la Temperatura sobre la Contrapresión
Estas simulaciones del efecto de la temperatura se realizaron con
una condición de pared adiabática, es decir que no había
intercambio de calor del fluido con la pared y menos con el
ambiente, a continuación se presenta como se planteó el modelo
de transferencia de calor y sus efectos totales sobre la contrapresión.
5.1PLANTEAMIENTO DEL MODELO DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Para poder plantear la simulación se pensó inicialmente generar un
dominio externo de fluido sobre el silenciador para poder simular el
movimiento del silenciador en el tractor con una velocidad de 10 2 2,5 3 3,5 4 4,5
300 350 400 450 500 550 600
Co n tr a Pr e si ó n ( kPa)
km/h, pero esto resultaba en un planteamiento de la simulación
demasiado complejo y que por el momento no resulta de gran
interés para el desarrollo del problema actual, es por eso que se
decidió simplificar el modelo de transferencia de calor en ANSYS a
calcular un posible coeficiente de convección forzada sobre el
silenciador y que ANSYS hiciera el trabajo de simular el coeficiente
que se le da al programa sobre la toda la pared exterior del
silenciador.
A continuación se presentan cuáles fueron las suposiciones que se
hicieron para implementar en el modelo que se simuló en ANSYS
5.2SUPOSICIONES INICIALES EN EL MODELO.
- El fluido de trabajo es aire como gas ideal y es incompresible.
- Los efectos de la Radiación en general son despreciables.
- La simulación se da en condiciones de operación estables.
- La geometría del silenciador es simplificada a la de un prisma
rectangular a diferencia de la curvatura de las aristas en la
geometría real y de la no existencia del tubo por donde entra el
aire al silenciador para efectos del cálculo del h de convección.
- El material del silenciador es de aluminio y se sus propiedades son
constantes con la temperatura, además de tener un espesor de
- La conducción por la pared del silenciador se presenta en una
sola dirección.
- La densidad y la viscosidad son las únicas propiedades del aire
que varían con la temperatura, el Cp y k permanecen como
constantes.
5.3COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA CONVECCIÓN EXTERNA FORZADA
Para poder calcular el h correspondiente se realizó de dos maneras
una en la que se simplifica la correlación de del número de Nusselt
para el de una placa plana aplicada en las caras laterales del
silenciador, suponiendo que el flujo es totalmente turbulento y que
las caras frontal y trasera están sujetas a la misma condición que las
laterales de tal forma que tenemos la siguiente condición:
Grafica 11 Caso uno para obtención de h de convección externa forzada (Cengel, 2009)
Para suponer una posible velocidad del aire afuera del silenciador se
Grafica 12 Velocidades promedio de tractores tomados en línea de http://www.masseyferguson.com.ar/consejos_marcha.htm
Se utilizó la mayor velocidad es decir de 10 km/h
Se procede a encontrar el Reynolds para esta condición:
( ) ( )
Se aplica la correlación de Nusselt para placa plana en régimen
turbulento:
( ) ( )
Utilizando las propiedades del aire a 298 K:
Tabla 4 Propiedades del Aire Simulación de Transferencia de Calor
Temp aire 298 K
viscosidad 1,56E-05 m2/s
Pr 0,7296 Adimensional
k 0,02551 W/m*K
( ) ( )
Y se encuentra con el uso del análogo eléctrico en combinación con
la resistencia a la conducción y a la convección que el flujo de calor
que sale por la pared es:
̇
( ) ( )
El segundo método para calcular el h de convección forzada fue
extraído de un Handbook en el cual se propone un Nusselt para una
caja en un substrato sometido en un canal de aire con ciertas
dimensiones como se muestra en la imagen a continuación:
Ilustración 19 Caso dos para obtención de h de convección externa forzada (Bejan, 2003)
Para poder aplicar esta correlación es necesario hacer la suposición
de que el Reynolds Critico es de 2e5
( ) ( )
( ) ( )
En donde:
( ) ( )
( ) ( )
Y para esta condición:
̇
( ) ( )
5.4SIMULACIÓN EN ANSYS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR
Para llevar a cabo esta simulación fue necesario cambiar el estilo de
malla que se estaba realizando para poder encontrar la caída de
presión en el silenciador, en este caso se puso más énfasis en poder
generar una malla que en la pared fuera regular de tal manera que
se ajustara a los cambios en la temperatura pero manteniendo el
número de elementos establecido desde el principio, a continuación
Ilustración 20 Estilo de Malla refinado en las superficies para la transferencia de Calor
Para efectos de la simulación se utiliza el Nusselt obtenido en el
segundo método y se procede a correr la simulación por partes, es
decir se resuelve primero las ecuaciones de momento y continuidad
sin resolver la ecuación de la energía, posteriormente se enciende y
se resuelve la ecuación de la energía, para realizar una
comparación se decide encontrar los flujos de trasferencia de calor
en la simulación obteniendo lo siguiente.
•
Total Heat Transfer Rate (w)
•
Salida -3190.7495
•
Entrada 3979.4397
•
Pared -788.76257
•
Neto -0.072387695
Podemos observar la diferencia porcentual entre el flujo de calor
encontrado teóricamente y en la simulación en donde:
| |
Por último se comprueba la conservación de la masa con los flujos
másicos:
•
Mass Flow Rate (kg/s)
•
interior-part_1 0.0010398813
•
outlet -0.012285132
•
velocity-inlet 0.012285259
•
wall-part_1 0
•
Net 1.2665987e-07
5.4 RESULTADOS SIMULACIÓN TRANSFERENCIA DE CALOR
A continuación algunos contornos de variables sobre el caso
estudiado.
Ilustración 21 Contrapresión entrada de silenciador
Observamos que la caída de presión no varía mucho con respecto a
la ya calculada anteriormente de aproximadamente 2 kPa, esta
grafica de contorno referenciada a la caída de presión obtenida
adelantado es posible observar que los efectos combinados de la
transferencia de calor no afectan en gran medida la caída de la
contrapresión y que solo con la temperatura es posible realizar el
modelamiento del problema.
Ilustración 22 Distribución de temperaturas en Plano en todo el centro de la geometría
Vemos la distribución de la temperatura y como internamente no
tiene una caída de más de 80 K, también es posible evidenciar como
los contornos de temperatura van cambiando en la misma medida
como el fluido pasa a través de las cámaras, más adelante en la
ilustración 24 observamos como la densidad tiende a presentar un
comportamiento similar en los contornos y que varían de manera
parecida, esto debido a que en la simulación fue establecido variar
la densidad en términos de la temperatura, algo parecido ocurre
con la velocidad donde los contornos donde se dan aumentos de
conserva más alta con respecto a las cercanías con la pared del
silenciador
Ilustración 23 Distribución de presiones en el silenciador
Observamos cómo se va dando la caída de presión en el silenciador
esta será importante para analizar los efectos de la compresibilidad,
en general se observa que entre cámara y cámara la presión cae,
principalmente por el cambio entre volúmenes de las cámaras y de
Ilustración 24 Cambio de densidad en la geometría
En el anterior observamos como la densidad varia en el plano, como
esta es dependiente de la temperatura por medio de los gases
ideales observamos que tiene un comportamiento similar y en los
puntos en donde el cambio de sección en las rejillas donde puede
encontrarse un aumento de velocidad no resulta ser principalmente
importante en general se mantiene.
Este contorno para mirar como aumenta la velocidad en las rejillas, si
aumenta comparativamente con el campo de velocidad alrededor
pero no resulta ser un aumento drástico, como el aumento no resulta
ser considerable los efectos sobre el fluido tampoco lo son con
respecto a los aumentos de velocidad del fluido no se dan puntos en
el contorno donde sea importante el número de Mach y que el fluido
pueda presentar zonas de compresibilidad.
Ilustración 26 Temperatura en las paredes del silenciador
En los puntos donde probablemente los cambios de sección y
posibles aumentos de velocidad generarían cambios drásticos en la
densidad podemos observar que no resulta ser concluyente si tendría
que ser evaluado la idea de realizar una simulación en estado
compresible, se observa la concordancia en el hecho de que el
contorno de densidad y temperatura presentan topologías similares y
ley de gases ideales con respecto a la temperatura y presión, las
velocidades que se alcanzan en las rejillas no son tan altas como
para considerar números de mach superiores a 0.3, de manera
general resaltar que el flujo de calor saliente de la pared si
concuerda bastante con los cálculos teóricos.
6. CONCLUSIONES
• El éxito de una simulación computacional radica en entender
a profundidad la física del problema y así adecuar de
manera correcta los parámetros para obtener resultados
coherentes y concluyentes en el problema, esto es
observable cuando se requiere cambiar el estilo de mallado
en la geometría dependiendo del interés, es decir en la
dinámica del flujo o en la transferencia de calor es necesario
adecuar la malla.
• La configuración geométrica que más afecta el desempeño
del silenciador, es decir en la perdida de transmisión y en la
caída de presión, son el tamaño de los agujeros entre
cámara y cámara, principalmente porque al encontrar el
flujo estos cambios abruptos de sección influyen
directamente en la presión generada por la obstaculización.
• El efecto de la temperatura resulta ser predominante sobre el
caída de presión a la entrada del silenciador mucho menor
que si el fluido en cuestión entrara a temperatura ambiente,
aunque la viscosidad aumenta con la temperatura utilizando
la ley de Sutherland, los cambios de densidad debido a la
temperatura son más predominantes y genera que se dé la
condición de a mayor temperatura menor contrapresión y a
menor temperatura mayor contrapresión.
• Al activar el modelo de transferencia de calor, permitiendo
flujo al exterior por la pared utilizando un coeficiente de
convección externa forzada, se observa que los resultados no
difieren significativamente en comparación a realizar la
simulación solo a la temperatura del fluido dejando las
paredes adiabáticas.
• Al poder corroborar que las simulaciones realizadas con la
geometría original, comparando los resultados obtenidos por
métodos experimentales, coinciden dado que la simulación
entra en la incertidumbre de los datos experimentales, las
simulaciones realizadas para el nuevo diseño también
quedan corroboradas puesto que lo importante es entender
que el modelo utilizado en la simulación si resulta ser
7.
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