Thesis IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE CFD PARA ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL DE DISEÑO GEOMÉTRICO DEL POZO DE ASPIRACIÓN DE PLANTA ELEVADORA DE AGUAS SERVIDAS EN VIÑA DEL MAR
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Date
2019
Authors
CARTES VALDÉS, GONZALO JUAN
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Abstract
Una Planta Elevadora de Aguas Servidas (PEAS) es una obra hidráulica que impulsa las aguas servidas desde un pozo de aspiración mediante un sistema de bombas y línea de impulsión para su disposición en un punto hidráulicamente más alto. Estas plantas se pueden diseñar para un amplio rango de caudales de impulsión y en esta memoria se busca analizar el diseño para una PEAS de gran tamaño, esto es, de caudales del orden de 500 [L/s] o más. Cuando se analizan plantas pequeñas y medianas se puede remitir a la normativa vigente actual la NCh2472.Of2002, donde el aspecto más importante del diseño geométrico es el volumen del pozo de equilibrio/aspiración. Sin embargo, en las plantas de gran tamaño el volumen es tan elevado que la forma de éstas cobra una importancia fundamental, ya que la correcta operación de las bombas depende de evitar la formación de vórtices, aparición de subpresiones, cavitación y entrada de aire.Dado que las bombas se ubican en un entorno de flujo tridimensional de aguas servidas, donde las componentes de velocidad son relevantes en las tres direcciones del flujo, es que esta memoria plantea la alternativa de implementar el diseño geométrico tridimensional del pozo de aspiración de una PEAS existente y operativa con un software CFD (Computational Fluid Dynamics por sus siglas en inglés, o Dinámica Computacional de Fluidos) con el fin de poder contar con una nueva herramienta de diseño y análisis. Para esto, se representará en un modelo tridimensional la planta existente, propiedad de ESVAL S.A. y ubicada en la calle 2 Norte con 4 Poniente en la ciudad de Viña del Mar, y se importará a OpenFOAM®, un software CFD libre ampliamente utilizado para la modelación de movimientos tridimensionales de fluidos, el cual basa su metodología de cálculo en el Método de los Volúmenes Finitos. Además, se generará el mallado y condiciones de borde apropiados para poder analizar el diseño geométrico de la planta elevadora de aguas servidas de ESVAL S.A. Este proceso de implementación tridimensional se realiza de forma detallada y explicativa, para cimentar los procedimientos requeridos para esta y futuras modelaciones.Finalmente se presentan conclusiones sobre la recopilación de recomendaciones de diseño geométrico de una planta elevadora de aguas servidas, y sobre la implementación del modelo en OpenFOAM® haciendo énfasis en el costo computacional de la modelación. Con esto, se permite generar modelos para realizar consideraciones tanto para futuros diseños geométricos de plantas elevadoras de aguas servidas, como para realizar modificaciones en plantas cuyo funcionamiento sea deficiente, y en general, con este trabajo se permite dar los lineamientos clave para el análisis y desarrollo de cualquier problemática de flujo tridimensional multifase.
A Wastewater Lifting Plant (PEAS for its acronym in spanish) is a hydraulic structure which lifts wastewater from a suction well to a higher point, through a pump system and a pipeline. These plants can be designed for a wide flow spectrum, but this work analyzes a big plant’s design, which means, plants with flows over 500 [L/s]. For smaller plants, the design can be referred to the current Chilean regulations NCh2472.Of2002, where the most important aspect of the geometrical design is the suction well’s volume. However, in big size plants the volume is very high, so the shape of these plants has a fundamental importance, because the correct operation of the pump system depends on avoiding the vortex and low pressure appearance, cavitation, and air entrainment.Since the pump systems are located in a tridimensional wastewater flow environment, where the velocity components are relevant in the three directions of the flow, this memory proposes to implement the well’s tridimensional geometric design of an existent and operative PEAS with a CFD software (Computational Fluid Dynamics) to have a new tool for design and analysis. For this purpose, the representation in a tridimensional model of the existent plant, property of ESVAL S.A. and located in 2 Norte wih 4 Poniente in Viña del Mar City, will be imported to OpenFOAM®, an open-source CFD software widely used for tridimensional flow movements, with which the mesh and boundary conditions will be appropriately generated to analyze the plant’s geometric design. This implementation process is executed in a detailed and explained way, to set the foundation of the required procedures for this and future modeling.In the end, conclusions are presented about the PEAS’s geometrical design state of art and about the OpenFOAM® modeling implementation, emphasizing in the computational cost of modeling. With this work, new models can be generated for future designs of wastewater lifting plants, or to analyze and modify inefficient operating plants; and also, the main guidelines for modeling any tridimensional multiphase flow are set and developed.
A Wastewater Lifting Plant (PEAS for its acronym in spanish) is a hydraulic structure which lifts wastewater from a suction well to a higher point, through a pump system and a pipeline. These plants can be designed for a wide flow spectrum, but this work analyzes a big plant’s design, which means, plants with flows over 500 [L/s]. For smaller plants, the design can be referred to the current Chilean regulations NCh2472.Of2002, where the most important aspect of the geometrical design is the suction well’s volume. However, in big size plants the volume is very high, so the shape of these plants has a fundamental importance, because the correct operation of the pump system depends on avoiding the vortex and low pressure appearance, cavitation, and air entrainment.Since the pump systems are located in a tridimensional wastewater flow environment, where the velocity components are relevant in the three directions of the flow, this memory proposes to implement the well’s tridimensional geometric design of an existent and operative PEAS with a CFD software (Computational Fluid Dynamics) to have a new tool for design and analysis. For this purpose, the representation in a tridimensional model of the existent plant, property of ESVAL S.A. and located in 2 Norte wih 4 Poniente in Viña del Mar City, will be imported to OpenFOAM®, an open-source CFD software widely used for tridimensional flow movements, with which the mesh and boundary conditions will be appropriately generated to analyze the plant’s geometric design. This implementation process is executed in a detailed and explained way, to set the foundation of the required procedures for this and future modeling.In the end, conclusions are presented about the PEAS’s geometrical design state of art and about the OpenFOAM® modeling implementation, emphasizing in the computational cost of modeling. With this work, new models can be generated for future designs of wastewater lifting plants, or to analyze and modify inefficient operating plants; and also, the main guidelines for modeling any tridimensional multiphase flow are set and developed.
Description
Catalogado desde la version PDF de la tesis.
Keywords
ANALISIS TRIDIMENSIONAL , CFD , OPENFOAM , PEAS , POZO DE ASPIRACION