Análisis computacional del flujo y la transferencia de calor en un silenciador para el sistema de escape del motor de un tractor

Texto completo

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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:

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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

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• 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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

(38)

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)

(39)

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

(40)

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,

(41)

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

(42)

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

(43)

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

(44)

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

(45)

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

(46)

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

(47)

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

(48)

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

(49)

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

(50)

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

(51)

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)

(52)

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

(53)

- 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

(54)

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

(55)

( ) ( )

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

(56)

( ) ( )

( ) ( )

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

(57)

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:

| |

(58)

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

(59)

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

(60)

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

(61)

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.

(62)

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

(63)

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

(64)

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

(65)

7.

Bibliografía

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(66)

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