Cómo Modelar Flujos Multifásicos en Ansys Fluent
El flujo multifásico es uno de los fenómenos más complejos en la dinámica de fluidos computacional (CFD), ya que implica la interacción simultánea de dos o más fases —líquido, gas o sólido— dentro de un sistema. Estos flujos presentan desafíos únicos: interfaces móviles, transferencia de masa entre fases, diferencias de densidad y viscosidad, y fenómenos transitorios difíciles de capturar. En esta guía técnica, exploramos cómo Ansys Fluent permite modelar estos sistemas con precisión, qué modelos ofrece, cómo configurarlos correctamente y qué buenas prácticas seguir para obtener resultados fiables y reproducibles.
Fundamentos del flujo multifásico
Un flujo multifásico puede clasificarse según la naturaleza de las fases involucradas:
- Líquido-gas: cavitación, burbujeo, condensación, ebullición
- Líquido-sólido: transporte de partículas, sedimentación, lodos
- Gas-sólido: combustión con partículas, ciclones, lechos fluidizados
- Líquido-líquido: emulsiones, separación de fases, mezclas inmiscibles
Estos sistemas requieren resolver las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento y energía para cada fase, además de modelar las interacciones entre ellas: arrastre, intercambio térmico, transferencia de masa, coalescencia, ruptura y nucleación.
Modelos multifásicos en Ansys Fluent
Ansys Fluent ofrece cinco enfoques principales para simular flujos multifásicos. Cada uno responde a diferentes configuraciones físicas y niveles de complejidad:
| Modelo | Características | Aplicaciones |
|---|---|---|
| VOF (Volume of Fluid) | Captura interfaces nítidas entre fases inmiscibles. No permite mezcla entre fases. | Llenado de tanques, cavitación, salpicaduras |
| Modelo de mezcla | Supone mezcla homogénea con fracciones de volumen. Menor coste computacional. | Flujos con dispersión moderada |
| Euleriano-Euleriano | Trata cada fase como un continuo interpenetrante. Permite definir interacciones detalladas. | Lechos fluidizados, ciclones, mezcladores |
| Euleriano-Lagrangiano (DPM) | Rastrea partículas discretas en un fluido continuo. Ideal para baja concentración de sólidos. | Atomización, transporte de partículas |
| Population Balance Model (PBM) | Modela distribución de tamaños de gotas o burbujas. Se acopla con otros modelos. | Nucleación, coalescencia, ruptura |
¿Cómo elegir el modelo adecuado?
La selección del modelo depende de:
- Naturaleza de las fases: ¿Son inmiscibles? ¿Hay partículas discretas?
- Concentración de la fase secundaria: ¿Es baja o comparable a la fase continua?
- Interfaz definida o difusa: ¿Se requiere capturar la forma de la interfaz?
- Interacciones físicas relevantes: ¿Hay transferencia de calor, reacciones químicas, cavitación?
Por ejemplo:
- Para simular la cavitación en una bomba, el modelo VOF es ideal.
- Para estudiar el secado por aspersión, se recomienda DPM acoplado con PBM.
- Para analizar un lecho fluidizado, el modelo Euleriano-Euleriano es el más preciso.
Aplicaciones industriales reales
- Automoción: cavitación en bombas de agua, refrigeración por ebullición, inyección de combustible.
- Energía: condensación en turbinas, transporte de lodos, combustión multifásica en calderas.
- Farmacéutica: mezcla de sólidos en líquidos, secado por aspersión, emulsiones en reactores.
- Naval: cavitación en hélices, ventilación de túneles, propulsión por chorro.
Estas simulaciones permiten validar diseños antes de fabricar, reducir costes de prototipado y optimizar el rendimiento de sistemas complejos.
La simulación de flujos multifásicos con Ansys Fluent permite a los ingenieros abordar problemas complejos con precisión y eficiencia. Desde procesos térmicos hasta sistemas de transporte de partículas, los modelos multifásicos ofrecen una herramienta poderosa para validar, optimizar y diseñar soluciones innovadoras.
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