Estudio de tres modelos de turbulencia en la predicción de la erosión de bombas de inyección empleando Dinámica de Fluidos Computacional
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Resumen
La erosión ocasionada por partículas sólidas suspendidas en fluidos representa uno de los principales mecanismos de degradación en bombas centrífugas empleadas en sistemas de inyección de agua para la industria petrolera. La dinámica de fluidos computacional (CFD) constituye una herramienta que permite analizar este fenómeno y evaluar el desempeño de diferentes modelos de turbulencia sin recurrir exclusivamente a pruebas experimentales. En este trabajo se comparó el comportamiento de los modelos SST Transition y Reynolds Stress Model (RSM) para la predicción de la erosión en una bomba centrífuga mediante ANSYS Fluent. El flujo continuo fue modelado mediante las ecuaciones RANS bajo un enfoque Euleriano, mientras que la fase dispersa fue representada mediante el modelo Euler–Lagrange utilizando el Discrete Phase Model (DPM). Debido a las limitaciones computacionales asociadas a la licencia académica del software y al hardware disponible, las simulaciones se realizaron empleando una baja fracción volumétrica de partículas y una malla compatible con dichas restricciones. Los resultados muestran que ambos modelos identifican correctamente las regiones de mayor desgaste, localizadas principalmente en el borde de ataque del impulsor y la voluta. No obstante, el modelo RSM presenta una distribución de la erosión más consistente con la literatura, debido a su capacidad para representar la naturaleza anisotrópica de la turbulencia. El estudio constituye una comparación cualitativa entre ambos modelos y evidencia el potencial del RSM para el análisis de erosión en turbomáquinas sometidas a flujos con partículas sólidas. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Erosion caused by solid particles suspended in fluids is a primary degradation mechanism in centrifugal pumps used in water injection systems within the petroleum industry. Computational Fluid Dynamics (CFD) serves as a tool to analyze this phenomenon and evaluate the performance of various turbulence models without relying solely on experimental testing. This study compared the performance of the SST Transition and Reynolds Stress Model (RSM) in predicting erosion within a centrifugal pump using ANSYS Fluent. The continuous phase was modeled using RANS equations within an Eulerian framework, while the dispersed phase was represented via the Euler–Lagrange approach using the Discrete Phase Model (DPM). Due to computational limitations linked to the software's academic license and available hardware, simulations were conducted using a low particle volume fraction and a mesh compatible with these constraints. The results indicate that both models correctly identify the regions of highest wear, primarily located at the impeller leading edge and the volute. However, the RSM yields an erosion distribution that is more consistent with the literature, owing to its ability to capture the anisotropic nature of turbulence. This study provides a qualitative comparison of the two models and demonstrates the potential of the RSM for analyzing erosion in turbomachinery subjected to flows containing solid particles.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas
Palabras clave propuestas
Términos Normalizados
DINAMICA DE FLUIDOS-MEDICIONES; Fluid dynamic measurements; ANALISIS DIMENSIONAL; Dimensional analysis; EROSION DE SUELOS; Soil erosion; BOMBAS CENTRIFUGAS; Centrifugal pumps; INDUSTRIA DEL PETROLEO; Petroleum industry and trade; INYECCION DE AGUA EN CAMPOS PETROLIFEROS; Oil field flooding; 620 - Ingeniería y operaciones afines::622 - Minería y operaciones relacionadas; 620 - Ingeniería y operaciones afines::628 - Ingeniería sanitaria