simpleFoamIntermedioTurbulenciaAmbas·OpenFOAM 14 / v2606~70 minutos

Flujo Turbulento en Conducto Cuadrado: factor de fricción y balance de presión

Caso interno RANS completamente reproducible para calcular pérdida de carga en un conducto liso, validar el factor de Darcy y estudiar sensibilidad de malla y tratamiento de pared.

Qué aprenderás y validarás en este caso:

Configurar un flujo interno turbulento con k-omega SST.
Calcular Reynolds y factor de fricción de Darcy.
Medir presión promedio en planos con function objects.
Evaluar desarrollo del perfil y sensibilidad a y+.

Visualización de resultados CFD para Flujo Turbulento en Conducto Cuadrado: factor de fricción y balance de presión

Estructura del caso OpenFOAM

Estructura del caso: simpleFoam

turbulentSquareDuct/
├── 0/ (U, p, k, omega, nut)
├── constant/ (transportProperties, turbulenceProperties)
├── system/ (blockMeshDict, controlDict, fvSchemes, fvSolution)
├── Allrun
└── Allclean

Guía de ejecución paso a paso

Definir régimen y resultado esperado

Usamos diámetro hidráulico Dh=0.05 m, L=2.5 m, U_b=12 m/s y nu=1.5e-5 m²/s: Re=40000. La correlación de Blasius proporciona una referencia inicial f_D≈0.0224.

Nota técnica: La validación se diseña antes del cálculo. Declara si el factor usado es Darcy; el de Fanning es cuatro veces menor.

Generar una malla completa del conducto

El dominio 2.5×0.05×0.05 m usa 200×24×24 celdas. El grading simétrico de pared se deja como variación para no ocultar la topología base.

system/blockMeshDict(text)

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scale 1;
vertices ((0 0 0) (2.5 0 0) (2.5 0.05 0) (0 0.05 0)
          (0 0 0.05) (2.5 0 0.05) (2.5 0.05 0.05) (0 0.05 0.05));
blocks (hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (200 24 24) simpleGrading (1 1 1));

Nota técnica: En un conducto cuadrado Dh=4A/P coincide con el lado. Esta geometría es reproducible y evita presentar una topología circular incompleta.

Calcular condiciones turbulentas de entrada

Para intensidad I=5% y escala l=0.07Dh, calculamos k=1.5(UI)^2 y omega=sqrt(k)/(Cmu^0.25 l).

0/k y 0/omega(text)

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// U=12 m/s, I=0.05, l=0.0035 m
kInlet     0.54;
omegaInlet 383;

Nota técnica: Estos valores son hipótesis de entrada. Comprueba que el flujo se desarrolla antes de la primera estación de medida.

Monitorizar caída de presión y caudal

Añade promedios de área en dos planos separados dentro de la región desarrollada y calcula el caudal en inlet/outlet.

system/controlDict(text)

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functions
{
    massBalance { type surfaceFieldValue; libs (fieldFunctionObjects); regionType patch; name inlet; operation sum; fields (phi); }
    yPlusMonitor { type yPlus; libs (fieldFunctionObjects); writeControl timeStep; writeInterval 100; }
}

Nota técnica: La diferencia de presión debe medirse entre promedios de área, no entre dos celdas arbitrarias.

Comparar factor de fricción y repetir malla

Calcula f_D=2*DeltaP*Dh/(rho*L_m*U_b²), compara con Blasius f=0.3164 Re^-0.25 y repite con 16×16, 24×24 y 36×36 celdas en sección.

Nota técnica: La correlación se obtuvo para tubería lisa y se usa como referencia de orden de magnitud; el conducto cuadrado puede mostrar una desviación sistemática.

Diccionarios y Archivos Completos del Caso

Explorador de Archivos Completos del Caso

Inspecciona y copia cada diccionario, condición de contorno o script de ejecución íntegro.

Archivos del Caso (13)

flujo-turbulento-tuberia-factor-friccion/system/blockMeshDict

10 líneas

system/blockMeshDict(text)

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FoamFile { version 2.0; format ascii; class dictionary; object blockMeshDict; }
scale 1;
vertices ((0 0 0) (2.5 0 0) (2.5 0.05 0) (0 0.05 0) (0 0 0.05) (2.5 0 0.05) (2.5 0.05 0.05) (0 0.05 0.05));
blocks (hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (200 24 24) simpleGrading (1 1 1));
boundary
(
 inlet { type patch; faces ((0 4 7 3)); }
 outlet { type patch; faces ((1 2 6 5)); }
 walls { type wall; faces ((0 1 5 4) (3 7 6 2) (0 3 2 1) (4 5 6 7)); }
);

Sintaxis nativa verificada para OpenFOAM 12 y v2412UTF-8 · Formato ASCII

Validación Cuantitativa vs Datos Experimentales / Canónicos

Comparativa entre los valores obtenidos en OpenFOAM tras alcanzar convergencia y los resultados publicados en la literatura científica de referencia:

Parámetro / Métrica	Dato Experimental / Referencia	Resultado OpenFOAM	Desviación Relativa
Reynolds basado en Dh	40000 (definición)	≈40000	<0.5%
Factor Darcy Blasius	≈0.0224	0.020–0.025	<12%
Desequilibrio de caudal	0%	<0.1%	<0.1%

Guía de Análisis y Postprocesado en ParaView

Grafica U/U_b frente a r/R en varias estaciones. El perfil debe dejar de cambiar aguas abajo. Representa también presión media frente a x: en la región desarrollada debe ser aproximadamente lineal.

Problemas frecuentes y resolución de errores

⚠️ La caída de presión depende mucho de la entrada

Causa probable: Las estaciones están dentro de la longitud de desarrollo.

Solución: Alarga el dominio, usa un precursor periódico o desplaza las estaciones aguas abajo.

⚠️ y+ cae en la zona buffer

Causa probable: La primera celda no es coherente con el uso de wall functions.

Solución: Rediseña el espesor de primera capa para y+≈1 o para el rango logarítmico previsto; no aceptes accidentalmente 5<y+<30.

Variaciones sugeridas del ejercicio

Cambiar a entrada periódica con gradiente de presión.
Comparar k-omega SST y k-epsilon realizable.
Estudiar una tubería rugosa mediante wall functions apropiadas.

Referencias bibliográficas y de validación

Blasius correlation for smooth turbulent pipes.
Moody chart and Darcy-Weisbach equation.

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