En muchas aplicaciones (por ejemplo, de tipo marítima, fundición, hidráulica, etc.), hay una interfaz entre un líquido y un gas y cuyas densidades se diferencian apreciablemente. Ello tiene como consecuencia que la inercia del gas se puede despreciar con respecto a la del líquido por lo que la dinámica de este último se puede considerar independiente del gas y es por ello que a esa interfaz se le denomina superficie libre.
El correcto modelado de la superficie libre es de gran importancia debido a que puede modificar nuestros resultados como por ejemplo en el caso de las fundiciones a alta presión (HPDC) donde la entrada de aire es dependiente, la resistencia al avance de un buque donde la distribución de presiones sobre el casco depende de las olas formadas por el buque, etc.
Teniendo en cuenta estas aplicaciones es necesario unos algoritmos adecuados que puedan calcular con gran exactitud la posición y la forma de la superficie libre, así como su evolución en el tiempo.
FLOW-3D tiene en cuenta el método Volume of Fluid (VOF), un algoritmo muy robusto con el propósito específico de caracterizar adecuadamente la superficie libre. El método se basa en la utilización de una variable llamada fluid fraction (F), que nos indica el volumen de un fluido en una celda del dominio computacional.
Como se puede observar en la figura 1, valores de la fracción de fluido igual a 1 en un celda indica que está ocupada totalmente por un fluido, de otra manera (F igual a O) es considerado ocupado por el gas u otro líquido.
Además, la interfaz es representada cuando la fracción de fluido toma valores:
O < F < 1
Con esta simple idea, se puede reconstruir y predecir la evolución de la superficie libre utilizando los valores de la fracción de fluido de las celdas utilizando una ecuación de transporte:
Los tres últimos términos de la ecuación nos indica cómo F es transportada por el flujo del fluido con velocidades (u, v, w) sobre el dominio y que tendrá como resultado un cambio de F en las celdas del dominio.
Aunque en esta ecuación de transporte pueden aparecer otros términos (como fuentes o transporte por esfuerzos viscosos laminar o turbulento, etc.) la idea general es la misma y los resultados obtenidos indican una buena aproximación de la superficie libre.
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