Publicado

2017-01-01

Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito

Numerical study of the movement of particles in fluids by finite element method

DOI:

https://doi.org/10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740

Palabras clave:

Ecuación de movimiento de Newton, ecuación de Navier-Stokes, flujo bifásico, método del elemento finito, simulación (es)
Finite element method, Navier-Stokes's equation, Newton's equations of motion, two-phase flow (en)

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Autores/as

  • Jeison Alberto Vargas Forigua Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá
  • Carlos Efrain Jacome Muñoz Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá.
  • Juan Carlos Giraldo Acuña Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá

En este trabajo se aborda el problema de un flujo bifásico, el cual consiste de la interacción de fluido con partículas sólidas inmersas en él, debido a la dificultad teórica que aparece al calcular todos los esfuerzos provenientes de la interacción entre fluido-sólido o sólido-sólido, así como las condiciones de contorno; se propone un enfoque numérico en el que se simula el movimiento fundamentado en las ecuaciones macroscópicas tanto para el fluido como para las partículas sólidas. Se creó un compendio de programas en ROOT que solucionan las ecuaciones de Navier-Stokes que describen la fase líquida usando el método de elemento finito, y para las partículas se usa un método explícito que soluciona las ecuaciones de movimiento de Newton, en donde conforme se realiza un paso en el tiempo las posiciones de los sólidos y el campo de velocidades son calculadas iterativamente. La simulación numérica permite investigar la dinámica del sistema, y calcular tanto el movimiento de las partículas como el del fluido en cuestión, obteniendo de esta manera importantes características en el estudio de los flujos bifásicos, las cuales son contrastadas con resultados experimentales.

In this paper we study a two-phase flow, which consists of the interaction between fluid with immersed solid particles to it, due to the theoretical difficulty that appears to calculate all the stress
from the interaction of both solid-solid and fluid-solid, and the boundary conditions, we propose a numerical approach in which the movement is simulated, based on the macroscopic equations for both the fluid and the solid particles. We developed a compendium of programs in ROOT that solve the Navier-Stokes equations which describe the liquid phase using the finite element method, and an explicit method that solves the equations of motion of Newton for the solid particles; thus, at the step at the time increases the positions of the particles and the velocity field are calculated iteratively. The numerical simulation allows to understand the system dynamics, and calculate both the movement of the solid particles and the movement of the fluid. We got important features in the study of two-phase ows which are contrasted with experimental results.

Referencias

Chen, L. & Huang, M. (2017). A DFFD simulation method combined with the spectral element method for solid-fluid-interaction problems. Journal of Computational Physics, 330, 749-769.

Chung, T. (2010). Finite Element Alalysis in Fluid Dynamics. New York: Cambridge.

Crowe, T., Schwarzkopf, D., Sommerfeld, M. & Tsuji, Y. (2012). Multiphase Flows with Droplets and Particles. London: CRC Press.

Deen, N., Annaland,M., Van der Hoef, M. & Kuipers, J. (2007). Review of discrete particle modeling of fluidized beds. Chemical Engineering Science, 62 (1), 28-44.

Donea, J. & Huerta, A. (2003). Finite Element Methods for Flow Problems. England: Wiley.

Fortes, A., Joseph, D. & Lundgen, T. (1987). Nonlinear mechanics of

fluidization of beds of spherical particles. Journal of Fluid Mechanics, 177, 467-483.

Hilton, J., Mason, L. & Clearly , P. (2010). Dynamics of gas-solid fluidised beds with non-spherical particle geometry. Chemical Engineering Science, 65, 1584-1596.

Hoomans, B. (2000). Granular dynamics of gas-solid two-phase flows. Universiteit Twente.

Hu, H., Patankar, N. & Zhu, M. (2001). Direct numerical simulations of fluid-solid systems using the arbitrary Lagrangian-Eulerian technique. Journal of Computational Physics, 26 (9), 1509-1524.

Huang, R. F., Hsu, C. M., & Chen, Y. T. (2017). Modulating flow and aerodynamic characteristics of a square cylinder in crossflow using a rear jet injection. Phys. Fluids, 29 (1), 015103.

Kundu, P., Cohen, A. & Dowling, D. (2016). Fluid Mechanics. U.S.A: Academic Press.

Lee, T., Chang, Y., Choi, J., Kim, D, Liu,W. & Kim, Y. (2008). Immersed finite element method for rigid body motions in the incompressible Navier-Stokes flow. Comput. Methods Appl. Math., 197, 2305-2316.

Patankar, N., Singh, P., Joseph, D., Glowinski, R. & Pan, T. (2000). A new formulation of the distributed Lagrange multiplier-ctitious domain method for particulate flows. International Journal of Multiphase Flow, 26 (9), 1509-1524.

Rannacher, R. (2000). Finite element methods for the incompressible Navier-Stokes equations. Springer.

Rutger, H.; IJzermans, A.; Hagmeijer, R.; Pieter, J.; (2007), Accumulation of heavy particles around a helical vortex filament. Phys. Fluids, 19(10), 107-102.

Tezduyar, T., Behr, M. & Liou, J. (1992). A new strategy for finite element computations involving moving boundaries and interfaces-the DSD-ST procedure: I. The concept and the preliminary numerical tests. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 94(3), 339-351.

Tezduyar, T., Behr, M. & Liou, J. (1992b). A new strategy for nite element computations involving moving boundaries and interfaces-the deforming-spatial-domain-space-time procedure: II. Computation of free-surface flows, two-liquid flows, and flows with drifting cylinders. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 94 (3), 353-371.

The ROOT team. (2014). Suiza, Users guide 5.26, An Object-Oriented Data Analisys Framework. [Consultada en Agosto 31 de 2016]. Disponible en: https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/users-guide/ROOTUsersGuideA4.pdf

Werther, J. (1999). Measurement techniques in fluidized beds. Powder Technology, 102 (1), 15-36.

Zhao, X., Glenn, C., Xiao, Z. & Zhang, S. (2014). CFD development for macro particle simulations. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 28(5), 232-249.

Cómo citar

APA

Vargas Forigua, J. A., Jacome Muñoz, C. E. y Giraldo Acuña, J. C. (2017). Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito. Revista de la Facultad de Ciencias, 6(1), 39–56. https://doi.org/10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740

ACM

[1]
Vargas Forigua, J.A., Jacome Muñoz, C.E. y Giraldo Acuña, J.C. 2017. Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito. Revista de la Facultad de Ciencias. 6, 1 (ene. 2017), 39–56. DOI:https://doi.org/10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740.

ACS

(1)
Vargas Forigua, J. A.; Jacome Muñoz, C. E.; Giraldo Acuña, J. C. Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito. Rev. Fac. Cienc. 2017, 6, 39-56.

ABNT

VARGAS FORIGUA, J. A.; JACOME MUÑOZ, C. E.; GIRALDO ACUÑA, J. C. Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito. Revista de la Facultad de Ciencias, [S. l.], v. 6, n. 1, p. 39–56, 2017. DOI: 10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740. Disponível em: https://revistas.unal.edu.co/index.php/rfc/article/view/60740. Acesso em: 30 nov. 2022.

Chicago

Vargas Forigua, Jeison Alberto, Carlos Efrain Jacome Muñoz, y Juan Carlos Giraldo Acuña. 2017. «Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito». Revista De La Facultad De Ciencias 6 (1):39-56. https://doi.org/10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740.

Harvard

Vargas Forigua, J. A., Jacome Muñoz, C. E. y Giraldo Acuña, J. C. (2017) «Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito», Revista de la Facultad de Ciencias, 6(1), pp. 39–56. doi: 10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740.

IEEE

[1]
J. A. Vargas Forigua, C. E. Jacome Muñoz, y J. C. Giraldo Acuña, «Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito», Rev. Fac. Cienc., vol. 6, n.º 1, pp. 39–56, ene. 2017.

MLA

Vargas Forigua, J. A., C. E. Jacome Muñoz, y J. C. Giraldo Acuña. «Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito». Revista de la Facultad de Ciencias, vol. 6, n.º 1, enero de 2017, pp. 39-56, doi:10.15446/rev.fac.cienc.v6n1.60740.

Turabian

Vargas Forigua, Jeison Alberto, Carlos Efrain Jacome Muñoz, y Juan Carlos Giraldo Acuña. «Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito». Revista de la Facultad de Ciencias 6, no. 1 (enero 1, 2017): 39–56. Accedido noviembre 30, 2022. https://revistas.unal.edu.co/index.php/rfc/article/view/60740.

Vancouver

1.
Vargas Forigua JA, Jacome Muñoz CE, Giraldo Acuña JC. Estudio numérico del movimiento de partículas en fluidos mediante el método de elemento finito. Rev. Fac. Cienc. [Internet]. 1 de enero de 2017 [citado 30 de noviembre de 2022];6(1):39-56. Disponible en: https://revistas.unal.edu.co/index.php/rfc/article/view/60740

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