ANÁLISIS CFD DE FLUJO BIDIMENSIONAL EN FILTROS PIA 3¶
Release |
Descripción |
Fecha |
Elaboró |
Aprobó |
|---|---|---|---|---|
0.1 |
Se envió para revisión del cliente |
26/07/22 |
HG |
Objetivo y alcance¶
Objetivo¶
Elaborar modelo bidimensional (CFD - dinámica computacional de fluidos) de un filtro de 36in de la PIA 3 con el propósito de analizar patrones de presión, velocidad y fuerza producida por el flujo de agua sobre el medio poroso de relleno del equipos (fuerza porosa).
Proponer mejoras basadas en este análisis.
Alcance¶
Se modeló el filtro de 36in de diámetro, incluyendo una zona de flujo libre y otra de medio poroso, hasta la altura del relleno de los filtros actualmente instalados en campo.
Se elaboraron modelos bidimensionales de un corte transversal del filtro utilizando deflectores a la entrada del agua al equipo. Estos se compararon con un modelo que no cuenta con tales deflectores.
Se hicieron modelos de flujo a través del filtro y se calcularon la velocidad, la caída de presión y la fuerza sobre el medio poroso debida al paso del agua a través del medio filtrante.
Con el análisis de la informaciòn obtenida se plantearon recomendaciones.
Resumen¶
Se realizaron modelos 2D comparativos para opciones de secciones del filtro con y sin deflectores a la entrada del flujo en la parte superior. El colector inferior se conservó identico para todos los casos. Los modelos incluyen la simulación de una disposición de medio poroso ideal (con superficie plana conservada en la parte superior del medio).
Estos modelos permitieron comparar tanto los patrones de velocidad a través del filtro, cómo el trayecto preferente del flujo y comparar los diferentes casos a partir de fuerzas porosas (fuerza por unidad de volumen que el agua ejerce sobre el medio al circular por sus poros). El módulo de estas fuerzas por unidad de volumen es igual al producto del peso específico del agua por el gradiente. La fuerza de filtración tiene la dirección y el sentido del flujo.
La fuerza porosa, antes definida, es una variable que permite hacer comparaciones cuantitativas que indican la uniformidad con la que el fluido “moja” el medio filtrante. Un mejor filtro tendrá una distribución más uniforme (en el volumen del medio filtrante) de la magnitud de esta variable. Esta uniformidad corresponderá a una varianza baja de la “fuerza porosa”.
De otra parte, existe una probable relación entre fuerzas porosas de mayor magnitud en áreas concentradas de la superficie del lecho filtrante, con la socavación y perdida de uniformidad de la superficie de este. Al presentarse esta socavación el agua tendra un paso mas corto (“corto circuito”) y por lo tanto empeorarà su filtración.
De la comparación de los distintos tipos de deflector se escogió el mas recomendable para la prueba piloto propuesta por el cliente a realizarse en los filtros existentes. Por motivos de simplicidad en la fabricación se decidió fabricar el deflector con perfil en ángulo.
- En la comparación del deflector escogido con el filtro sin deflectores se encontraron los siguientes resultados:
El filtro actual (el instalado originalmente en campo) muestra una dirección preferente de flujo correspondiente a un chorro que conecta la entrada y la salida del filtro de forma directa (ver Tabla 112).
El filtro con deflector en ángulo presenta 2 chorros principales, en lugar de un solo chorro preferente. La velocidad del fluido en estos chorros en menor que la del filtro actual.
La “fuerza porosa” en el filtro actual tiene su máxima magnitud en la zona de contacto del chorro central. La magnitud de esta fuerza es cerca del doble de la que se presenta en los chorros preferentes del filtro en ángulo.
El pocentaje de covarianza de las fuerzas porosas es un poco inferior en el filtro actual que en el filtro en con deflector en ángulo. Esto descarta que un mejor funcionamiento de este último se deba a este efecto.
Teniendo en cuenta los resultados positivos encontrados en el inicio de la prueba del deflector en ángulo y las variables aquí comparadas, se concluye que la disminución de los máximos en la fuerza porosa ayuda a mejorar el rendimiento de los filtros.Posiblemente por que puede evitar la socavación del lecho filtrante.
En los casos estudiados se pueden prever mejoras significativas, tanto por la disminucuón de los máximos localizados de “fuerzas porosas” como con la mejor distribución del fluido en el medio filtrante si se utilizan los tipos de deflector curvos 36-C y 36-D (ver Tabla 117 derecha y Tabla 118). Sin embargo si se tiene en cuenta el espacio para retrolavado su implantación en este tamaño de filtro no es recomendable.
El deflector en forma de tubo 36-B (ver Tabla 117 izquierda) no representa ninguna mejora por lo tanto no se recomienda.
Los modelos de retrolavado (ver Tabla 119) muestran zonas de alta velocidad y baja presión concidentes con los lugares en donde se han presentado daños en el material de la carcaza del filtro actual. Se recomienda modificar el colector de salida colocando láminas en el tubo ranurado que eviten el flujo hacia la carcaza.
Los resultados obtenidos en esta memoria de cálculo son solamente referenciales ya que están limitados a un modelo 2D que aproxima el flujo en un corte transversal del equipo y no en todo el volumen.
Valor medio de las fuerzas porosas |
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Covarianza de las fuerzas porosas |
|---|
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Filtro |
Descripción |
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|---|---|---|
36-A |
Filtro 36in sin deflector superior |
36 |
36-B |
Fitro 36in con defector tubular (Figura siguiente) |
36 |
36-C |
Filtro con deflector superior curvado |
36 |
36-D |
Filtro con deflector superior curvado y perforado |
36 |
36-E |
Filtro con deflector en ángulo de 4 in |
36 |
Actividades¶
Modelos bidimensionales:¶
Se modelaron los filtros indicados en la siguente tabla.
Filtro |
Velocidad de entrada [m/s ] |
|---|---|
36in actual |
0.66 |
36in deflector tubular. |
0.66 |
36in deflector curvo |
0.66 |
36in deflector perforado |
0.66 |
36in deflector L perforado |
0.66 |
Resultados¶
Modelos bidimensionales flujo de filtrado:¶
En las tablas siguientes se resumen los resultados obtenidos.
Filtro actual - presión |
Deflector ángulo - presión |
|---|---|
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Filtro actual velocidad |
Deflector ángulo velocidad |
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Filtro actual fuerza porosa |
Deflector ángulo fuerza porosa |
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Deflector tubular- presión |
Deflector Semicircular - presión |
|---|---|
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Filtro actual velocidad |
Deflector ángulo velocidad |
|
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Filtro actual fuerza porosa |
Deflector ángulo fuerza porosa |
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Deflector curvo perforado - presión |
|---|
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Deflector curvo perforado - velocidad |
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Deflector curvo perforado - fuerza porosa |
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Modelos bidimensionales flujo de retrolavado:¶
Retrolavado - presión filtro actual |
Retrolavado - presión deflector ángulo |
|---|---|
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|
Filtro actual velocidad |
Deflector ángulo velocidad |
|
|
Filtro actual fuerza porosa |
Deflector ángulo fuerza porosa |
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Unidades¶
Longitud: |
\(m\) |
|---|---|
Masa: |
\(kg\) |
Fuerza: |
\(N\) |
Tiempo: |
\(s\) |
Presión: |
\(pa\) |
Densidad |
\(\frac{kg}{m^3}\) |
Viscosidad dinámica |
\(pa s\) |
Viscosidad cinemática |
\(\frac{m^2}{s}\) |
Coeficiente de Presión openFoam |
\(\frac{m^2}{s^2}\) |
Velocidad |
\(\frac{m}{s}\) |
Temperatura |
\(F\) |
|---|---|
Viscosidad dinámina en centiPoises |
\(cP\) |
Presión psi |
\(psi\) |
Velocidad ft/s |
\(\frac{ft}{s}\) |
Malla¶
La malla bidimensional de elementos finitos fue construida con elementos de tamaño aproximado de lado de 5mm.
La figura siguiente muestra las características generales de las malla elaborada para los modelos bidimensionales.
Figura 57 Representaciòn bidimensional filtro actual 58.531 volúmenes finitos.¶
Condiciones de frontera¶
El modelo realizado requiere de condiciones de frontera y condiciones iniciales consistentes para su funcionamiento. Las siguientes son las condiciones aplicadas al modelo.
Condiciones de velocidad
Entrada del fluido: Se modela la velocidad de entrada correspondiente al máximo valor de operaciòn de 0.66 \(\frac{m}{s}\).
Velocidad inicial en el volumen del filtro: Se modela con valor 0.
Velocidad en las paredes: Se modela con velocidad cero en la pared (no slip).
Condiciones de presión
Salida del fluido: Se coloca a la salida presiòn 24.000 \(pa\). El programa de elementos finitos calcula diferencias de presión por lo tanto este valor solamante se comporta como una referencia.
Entrada del fluido: Esta presión será cálculada.
Paredes: condición de zero gradiente.
En el software utilizado (openFoam 6.x) se requiere cómo dato de presión la cantidad:
Del mismo modo la presión obtenida debe dividirse entre la densidad para obtener el valor en unidades consistentes (\(pa\) este caso).
Condiciones de turbulencia
Entrada salida y paredes: Se calcula valor de \(\kappa\) y \(\epsilon\) de acuerdo con las condiciones de flujo (Reynolds), y se asignan valores iniciales al modelo en la entrada, salida, pared y volumen.
Límites del análisis¶
Los análisis corresponden a la solución de la ecuación de Navier Stokes para flujo estacionario.
Cómo ya se mencionó el análisis se realizó para flujo 2D con las limitaciones descritas.
El medio poroso se modela cómo un lecho de forma constante (sin contar efectos de socavaciones debidas a la fuerza del fluido sobre el medio).
Para obtener resultados de diseño para el tipo de filtro aquí estudiado (microfiltración con medio en fitrante tipo particulas de material vitreo en filtro tipo horizontal) se pueden emprender distintos enfoques dependiendo del tipo de resultado esperado. En el caso de requerir resultados comparativos se puede realizar el análisis del fluido en la geometría del equipo o se puede realizar un análisis de mayor profundidad considerando el flujo en el medio poroso (enfoque aquí utilizado). En caso de requerir un diseño a partir de cero, se deberán combinar ensayos de laboratorio con modelos de lagrange de particulas en el agua para determinar la eficiencia de separaciòn. Se pueden realizar comprobaciones de mayor sofisticación implicando siempre costos y tiempos mas largos. En el caso que nos ocupa fuimos más allà del simpleanálisis de flujo pasando al segundo caso.
Ecuaciones de flujo¶
Los modelos analizados obedecen a las siguientes ecuaciones.
Ecuación de Navier Stokes (simulación de flujo).
Ecuación de Darcy (simulación de flujo a través de medios porosos).
Ecuación de continuidad.