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Universidad de Navarra Escuela Superior de Ingenieros
Nafarroako Unibertsitatea Ingeniarien Goi Mailako Eskola

Laboratorio de Mecánica de Fluidos

Práctica de CFD Evaluada

Expansión brusca de una tubería

CAMPUS TECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA
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© Alejandro Rivas & Gorka Sánchez 2005
Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra (TECNUN)

EXPANSIÓN BRUSCA DE UNA TUBERÍA
1 INTRODUCCIÓN
En la presente práctica se propone la modelación matemática y la simulación del
flujo que tiene lugar en una expansión brusca de una tubería de sección circular
(Figura 1). A través dela tubería circula un aceite con propiedades conocidas
(ρ=800 kg/m3 y μ=4.945·10-3 Pa·s) con una velocidad y una intensidad de la
turbulencia antes de la expansión que se han medido experimentalmente. El
diámetro de la tubería es de 50 milímetros antes de la expansión y de 80 milímetros
después.

Figura 1. Expansión brusca de una tubería circular.
A la hora de modelar y simular el flujo enla expansión se va a considerar que es
axisimétrico (Figura 2), despreciándose la componente de la velocidad y la variación
de las variables de flujo en la dirección circunferencial. El origen de coordenadas se
va a situar en el eje de revolución a la altura de la expansión.

Figura 2. Dominio de flujo simulado.
Se cuenta con medidas experimentales del flujo (Stieglmeier et al., 1989)realizadas
en diferentes planos con Anemometría Laser-Doppler (LDA) de los valores de la
velocidad axial (Uz) y de la energía cinética turbulenta (k). Estas medidas
experimentales servirán para contrastar los resultados de la simulación.

1

Área de Ingeniería Térmica y de Fluidos
Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra

2 MODELACIÓN DEL FLUJO
2.1

Modelo matemático

El flujo seconsiderará incompresible y en régimen turbulento. Se resolverán las
ecuaciones promediadas de Navier-Stokes-Reynolds (RANS) utilizando tres
modelos diferentes para modelar la turbulencia:
• Modelo 1: Modelo k-ε Standard con Standard Wall Functions.
• Modelo 2: Modelo k-ε Standard con Enhanced Wall Treatment, teniendo en
cuenta los efectos del gradiente de presión (seleccionando la opciónPressure gradient effects).
• Modelo 3: Modelo k-ε Realizable con Standard Wall Functions.

2.2

Condiciones de Contorno

En la entrada se debe imponer el perfil de velocidad axial media (Uz) obtenido
experimentalmente (fichero perfil_entrada), así como un valor de la intensidad
turbulenta de 4% (conocido también mediante experimentación) y el valor del
diámetro hidráulico.
En la salidase impondrá un valor cero de la presión estática manométrica, en el eje
de revolución se asignará la condición axis y en todas las paredes sólidas se
mantendrá la condición de no deslizamiento (No Slip) y se supondrá que no existe
rugosidad.

2.3

Mallado

Para la simulación del flujo se utilizarán tres mallas diferentes con elementos
cuadrangulares equiespaciados. La primera de ellas(Malla1) deberá tener cerca de
5.000 elementos. Para obtener las otras dos mallas se doblará el número de
intervalos de cada arista, de forma que la segunda malla (Malla2) tendrá cerca de
20.000 elementos y la tercera (Malla3) cerca de 80.000.
La utilización de mallas con un número cada vez más elevado de elementos permite
minimizar el error de discretización (ver Apartado 4) cometido alresolver el problema
en un dominio discreto (malla) en lugar de en el dominio continuo. Se presentará una
técnica que permite estimar este error.

3 SIMULACIÓN
Se deben realizar un total de nueve simulaciones, teniendo en cuenta que se deben
utilizar los tres modelos de turbulencia mencionados en el Apartado 2.1 en las tres
mallas descritas en el apartado anterior.
En las simulaciones se...