Parallel implementation of a geometrical reconstruction interface algorithm over openFOAM(R)

Even when the Piecewise-Linear Interface Calculation algorithm is a well established tech- nique for interphase reconstruction related to the Volume of Fluid method and is implemented in sev- eral privative codes for arbitrary meshes, no freely-distributed version is available to the date for the OpenFOAM(R) libraries suite. This works presents implementation details of this technique over Open- FOAM(R) to be used on parallel platforms. Much of them are related with the underlying numerics and the fundamental requirement of local and global conservativeness. Two main aspects are covered in this work: the computation of face fluxes by intersection of swept volumes and interface cells and the calculation of curvatures in each cell. While the first aspect does not present much difficulties, curva- tures computation results in an interesting case in how to manage a problem not well suited for message passing parallelization.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 11Facultad de Ingenierí

On the error analysis for geometrical volume of fluid methods

The Piecewise-Linear Interface Calculation (PLIC) algorithm is a well known technique for interface reconstruction, widely used in several Volume of Fluid (VOF) codes both commercial and open-source. In this work, an unstructured mesh implementation of these tools in OpenFOAM(R) is described and tested. The underlying numerical features of this new solver are described, showing how the programmed schemes accomplish local and global conservativeness. An extension of geometrical schemes to the momentum equation is also discussed, remarking the advantages of using the so called momentum-conserving scheme instead of a standard algebraic TVD advection method. Several benchmark problems are solved, comparing the results with the ones available in literature and analytical solutions. Different error norms are used to evaluate the solver accuracy in problems involving advection of discontinuous functions. Finally, a simple atomization problem is solved, comparing these results with solutions obtained using original OpenFOAM(R) VOF formulation.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad de Ingenierí

Parallel implementation of a geometrical reconstruction interface algorithm over openFOAM(R)

Even when the Piecewise-Linear Interface Calculation algorithm is a well established tech- nique for interphase reconstruction related to the Volume of Fluid method and is implemented in sev- eral privative codes for arbitrary meshes, no freely-distributed version is available to the date for the OpenFOAM(R) libraries suite. This works presents implementation details of this technique over Open- FOAM(R) to be used on parallel platforms. Much of them are related with the underlying numerics and the fundamental requirement of local and global conservativeness. Two main aspects are covered in this work: the computation of face fluxes by intersection of swept volumes and interface cells and the calculation of curvatures in each cell. While the first aspect does not present much difficulties, curva- tures computation results in an interesting case in how to manage a problem not well suited for message passing parallelization.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 11Facultad de Ingenierí

Parallel implementation of a geometrical reconstruction interface algorithm over openFOAM(R)

Even when the Piecewise-Linear Interface Calculation algorithm is a well established tech- nique for interphase reconstruction related to the Volume of Fluid method and is implemented in sev- eral privative codes for arbitrary meshes, no freely-distributed version is available to the date for the OpenFOAM(R) libraries suite. This works presents implementation details of this technique over Open- FOAM(R) to be used on parallel platforms. Much of them are related with the underlying numerics and the fundamental requirement of local and global conservativeness. Two main aspects are covered in this work: the computation of face fluxes by intersection of swept volumes and interface cells and the calculation of curvatures in each cell. While the first aspect does not present much difficulties, curva- tures computation results in an interesting case in how to manage a problem not well suited for message passing parallelization.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 11Facultad de Ingenierí

Simulación numérica de procesos electroosmóticos y electroforéticos mediante una plataforma modular basada en el método de volúmenes finitos

Los procesos electroosmóticos y electroforéticos consisten en procesos de transporte de solutos y solvente, y de reacción entre diferentes electrolitos, mediante la aplicación controlada de campos eléctricos. La microescala se convierte en un escenario donde estos fenómenos, fuertemente interfaciales, se aprovechanrse de manera mas eficiente en la implementación de procesos y dispositivos, fundamentalmente en química analítica y bioanalítica: es así que en las últimas dos décadas, las plataformas microfluídicas para análisis (más conocidas como Lab-on-a-chip), han sido el principal escenario para el desarrollo de métodos y tecnologías relacionadas a los procesos electroosmóticos y electroforéticos. El desarrollo de modelos y simulaciones numéricas de estos procesos permite una mayor comprensión y un mejor aprovechamiento de las características de los Lab-on-a-chip, para mejorar sus diseños, aumentar su rendimiento y también poder expandir así su aplicabilidad. En este trabajo se presenta la implementación de la simulación numérica de procesos electroosmóticos y electroforéticos a través del acople de las diferentes ecuaciones que modelan el campo eléctrico, el campo de velocidades y presiones, el campo de concentraciones de solutos y electrolitos y el equilibrio ácido-base. Se consideran también de manera especial las heterogeneidades de concentraciones de cargas en las paredes que dan origen a la doble capa eléctrica, que en definitiva permite el flujo electroosmótico. La implementación se llevó a cabo mediante el método de volúmenes finitos utilizando la plataforma OpenFOAMR . La herramienta de simulación, ya presentada en un trabajo anterior, resulta novedosa, desde el punto de vista de las herramientas utilizadas para la resolución de casos complejos. Justamente a partir de estos casos se presentarán las innovaciones recientes en el código que permitieron resolver situaciones experimentales computacionalmente demandantes. Se pondrá énfasis en las nuevas características que ofrece la herramienta como las diferentes condiciones de borde implementadas para la simulación del transporte de electrolitos, y la optimización de las estrategias de acoplamiento entre campos.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 27.Facultad de Ingenierí

Direct numerical simulations of a single drop in bag mode break-up

Secondary break-up consist on the decomposition of droplets, ligaments and rims into smaller droplets forming a spray. This phenomenon is driven by interface deformation given by the growth of hy- drodynamic instabilities, depending on Reynolds andWeber numbers. Bag mode break-up takes place at moderate gas Weber numbers, at which the drops turns into a film and inflates. Film thickness decreases until a hole forms and expands, giving place to decomposition in smaller droplets. This mechanism is present in several break-up processes and is of great interest to understand the underlying physics of liquid atomization. In this work, we present the Direct Numerical Simulations (DNS) results of a single liquid droplet submerged in an air stream in bag mode regime. Navier-Stokes equations for the two-phase flow are solved using a Volume of Fluid with a Piecewise Linear Interface Capturing (PLIC) formulation and geometrical advection schemes on the volume fraction and momentum equations, programmed in the Basilisk suite. The deformation of the drop into a film and the posterior evolution of its thickness is studied until the formation of a hole and the results are compared with experimental data.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad de Ingenierí

Optimización de tanques de separación de agua libre mediante CFD

Los tanques cortadores se utilizan en la producción de petróleo para separar el agua libre de crudo que se extrae de los pozos. En este trabajo se consideran tanques diseñados para los casos en que la proporción de agua presente en el crudo es mayor al 80% y procesan crudos livianos. Estos tanques de sedimentación utilizan para separar el petróleo del agua solamente las fuerzas gravitacionales y para su dimensionamiento es comúnmente basado en el tiempo de residencia. El diseño de tanques cortadores en la industria del petróleo históricamente se ha realizado utilizando métodos empíricos y experiencias del funcionamiento de tanques existentes. Sin embargo, estos métodos de diseño generalmente conducen a sobredimensionamientos que encarecen el costo de los tanques en gran medida. Debido a los altos costos de estas instalaciones y a que la situación mundial del precio del crudo exige que las empresas sean cada vez más eficientes en sus gastos, se ha realizado este estudio con el objetivo de reducir el tamaño de los equipos, así como la cantidad y dimensiones de sus internos, al mismo tiempo que se maximiza el caudal de petróleo y agua tratado. Para realizar la optimización, se utilizaron las herramientas de CFD de la suite OpenFOAM con un modelo de flujo multifásico de tipo mezcla. La formulación tiene en cuenta el comportamiento de las emulsiones que se presentan en estos tanques. En esta primera fase del trabajo se ajustó el modelo con condiciones reales de un tanque en operación encontrando un buen acuerdo entre los resultados numéricos y el comportamiento real del tanque. Adicionalmente, se estudió la eficiencia del tanque ante cambios de caudal y corte de agua.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 4Facultad de Ingenierí

Estabilidad de técnicas de acoplamiento tipo PISO a 1 y 2 fases por el método de Fourier

Existen una gran cantidad de técnicas para la determinación de los rangos de estabilidad y convergencia de métodos numéricos aplicados a las ecuaciones de Navier-Stokes. Muchos de ellos presentan la dificultad de ser problema-dependientes, es decir, dada las condiciones generales del problema (viscosidad, densidad, condiciones de borde e iniciales), se determina el radio espectral de la matriz del problema cuyo tamaño equivale a la cantidad de celdas en que fue discretizado. Esto da una predicción precisa de los rangos de estabilidad pero solo resulta útil al problema en cuestión. El método de von Neumann (o método de Fourier) permite, bajo ciertas condiciones (i.e. condiciones de borde cíclicas, geometrías sencillas y coeficientes constantes), determinar de manera sencilla rangos de estabilidad generales para el acoplamiento presión-velocidad (PISO, SIMPLE, etc) y velocidad entre fases (FIT, PEA, etc) haciendo uso de la descomposición en series de Fourier de cada una de las variables. De esta forma, el análisis puede parametrizarse en algunas pocas variables (número de Reynolds de malla, número de Courant, etc.) y se realiza sobre las matrices de amplificación del problema cuyo tamaño equivale a la cantidad de incógnitas del problema (e.g. presión, velocidad de la fase 1, velocidad de la fase 2). En este trabajo se estudia la metodología general y su aplicación a las ecuaciones de Navier-Stokes incompresible para 2 fases acopladas por drag.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 19Facultad de Ingenierí

Evaluación numérica del comportamiento hidrodinámico de confluencias fluviales

Las confluencias son ambientes complejos presentes en los sistemas fluviales que juegan un rol importante en la hidrodinámica de los mismos, ya que la convergencia de dos o más flujos produce complicados patrones de movimiento de fluidos. Una característica hidrodinámica relevante es la formación de una interfase de mezcla entre los flujos convergentes y el desarrollo de estructuras turbulentas coherentes de gran escala dentro de esta interfaz (Constantinescu et al. 2011). Los procesos hidrodinámicos que se desarrollan en las interfaces de mezcla están gobernados por diferentes parámetros geométricos y del flujo, siendo los principales parámetros las relaciones de cantidad de movimiento y de velocidad entre los dos flujos convergentes, su densidad, la magnitud de los ángulos entre los flujos de entrada y el canal aguas abajo y los cambios en la batimetría en la entrada a la confluencia. En este trabajo se presenta inicialmente la validación de un modelo matemático implementado un modelo numérico perteneciente al código libre y abierto OpenFOAM(R) (Open Field Operation and Manipulation) contrastando sus resultados con los datos experimentales presentados en Herrero et al. 2013. Luego se presentan los resultaos de un análisis de sensibilidad, realizado con simulaciones numéricas, para cambios en el flujo.Fil: Pozzi Piacenza, Cecilia. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Laboratorio de Hidráulica. Centro de Estudios y Tecnologías del Agua; Argentina.Fil: Herrero, Horacio. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Laboratorio de Hidráulica. Centro de Estudios y Tecnologías del Agua; Argentina.Fil: Herrero, Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina.Fil: García, Carlos Marcelo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Laboratorio de Hidráulica. Centro de Estudios y Tecnologías del Agua; Argentina.Fil: García, Carlos Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina.Fil: Furlan, Paloma. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Laboratorio de Hidráulica. Centro de Estudios y Tecnologías del Agua; Argentina.Fil: Ragessi, Ivan Matías. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Laboratorio de Hidráulica. Centro de Estudios y Tecnologías del Agua; Argentina.Fil: Márquez Damián, Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina.Otras Ingeniería Civi

Modelización de la inyección directa en motores de combustión interna usando una formulación Euleriana-Lagrangiana

La inyección directa de combustible en motores con ciclo Otto es una estrategia que permite reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. En condiciones de carga parcial, la inyección directa permite trabajar con relaciones relativas aire-combustible de la mezcla superiores a la unidad. De esta forma, es posible aumentar la cantidad total de aire que ingresa en el cilindro, por lo que se reducen las pérdidas por bombeo y se mejora la eficiencia del ciclo termodinámico. Para maximizar el rendimiento de la combustión, es necesario configurar los diferentes parámetros del sistema de forma tal de conseguir la distribución deseada de aire-combustible en la cámara de combustión. Dentro de los parámetros más importantes se encuentran la ubicación del inyector de combustible, la curva de inyección, la geometría de la cámara de combustión y las características cinemáticas del flujo dentro del cilindro. En este trabajo, se propone utilizar una herramienta basada en la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por Computational Fluid Dynamics) para resolver la inyección directa de nafta en motores de combustión interna. El combustible inyectado se representa mediante un modelo Lagrangiano utilizando partículas, las cuales interactúan con la fase gaseosa intercambiando masa, momento y energía. Por otro lado, la fase gaseosa se resuelve mediante una formulación Lagrangiana-Euleriana-Arbitraria (ALE por Arbitrary Lagrangian Eulerian) necesaria para contemplar el comportamiento dinámico del motor. El modelo computacional se implementa en la suite OpenFOAM(R) donde las herramientas de malla dinámica y de seguimiento de gotas de combustible (partículas) se integran en un solver de flujo compresible. El modelo computacional se utiliza para estudiar la inyección directa de nafta en un motor de pistones opuestos desarrollado en la región. Se analiza la influencia de las diferentes variables del sistema de inyección con el objetivo de analizar las características de la mezcla aire-combustible para diferentes regímenes de funcionamiento del motor.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 42Facultad de Ingenierí