Análisis de la caída de presión en placas de orificio en fluido newtoniano y no newtoniano mediante métodos numéricos

Abstract

La presente memoria analiza la caída de presión generada por un fluido newtoniano (agua) y un fluido no newtoniano (Bingham) al atravesar placas de orificio con distintas relaciones de obstrucción β. El objetivo principal es cuantificar y comparar la disipación de presión entre ambos fluidos, evaluando cómo la geometría del orificio y la reología del fluido afectan el desarrollo del flujo. Este estudio busca contribuir a la comprensión de los efectos viscoplásticos en sistemas de transporte hidráulico, con aplicación directa en la industria minera. La geometría base corresponde a una sección de tubería con un diámetro de 180 mm y una longitud total de 4509 mm, donde se implementaron placas de orificio con valores de β: 0.20, 0.25, 0.30, 0.40 y 0.50. Los modelos se diseñaron en el software FreeCAD y se mallaron con snappyHexMesh, aplicando refinamientos en la zona del orificio. Se utilizaron mallas entre 90 000 y 530 000 celdas, asegurando parámetros de calidad adecuados para garantizar la estabilidad numérica del cálculo. El posprocesamiento de resultados se efectuó en ParaView. Las simulaciones se desarrollaron en régimen permanente, con flujo incompresible y una velocidad de entrada uniforme de 1.5 m/s. El solver utilizado fue pimpleFoam, adecuado para flujos transitorios acoplados, utilizando el modelo de turbulencia k–omega SST. Se realizó un análisis de sensibilidad variando la obstrucción β para evaluar su influencia sobre la pérdida de carga. Los resultados obtenidos mostraron que, para el fluido newtoniano, la caída de presión disminuye de forma cuadrática desde 1862 Pa en β: 0.2 hasta 33 Pa en β: 0.5. En el caso del fluido bingham, las pérdidas alcanzaron 2209 Pa para β: 0.2 y 43 Pa para β: 0.5, presentando entre un 17 % y 30 % mayor disipación respecto al fluido newtoniano. Las pérdidas de presión se ajustaron a una relación del tipo ΔP: aβ² + bβ + c, con un coeficiente de correlación R² aproximado de 0.945 para ambos fluidos. Respecto al análisis de recirculación, indicó que las longitudes en el caso bingham son hasta un 72 % superiores, alcanzando 0.85 m para β: 0.2, mientras que el newtoniano se estabiliza en torno a 0.50 m. En conclusión, el modelo numérico reprodujo con precisión el comportamiento hidráulico de placas de orificio para fluidos newtonianos y viscoplásticos, validando su aplicación industrial como herramienta confiable para estimar pérdidas de presión en sistemas de transporte de agua y pulpas.