Modelamiento numérico basado en el método de elementos finitos (FEM) de procesos de transporte de pulpas minerales en tuberías circulares horizontales

Abstract

El desarrollo de una herramienta computacional basada en el método de elementos finitos (FEM) para modelar numéricamente el proceso de transporte de pulpas minerales en tuberías circulares horizontales es el tema principal en este trabajo. Las pulpas minerales son consideradas aquí como un fluido monofásico con propiedades reológicas de fluidos no Newtonianos. La herramienta computacional es implementada siguiendo un paradigma de programación orientada a objetos, usando C++ como lenguaje de programación principal, y una metodología de descomposición de dominio para su paralelización. La referida herramienta es validada realizando simulaciones numéricas de múltiples casos de estudio involucrando flujos de fluidos Newtonianos y no Newtonianos. En esta etapa de validación, errores máximos de 3% en tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales son obtenidos. Luego de ser validada, la herramienta computacional es utilizada para estudiar parámetros importantes en el diseño de sistemas de transporte de pulpas minerales. Más específicamente, parámetros relativos a la viscosidad, grado de concentración de partículas, velocidad de la fase continua y caída de presión son particularmente analizados. El principal aporte de este trabajo es el desarrollo de una nueva herramienta computacional basada en FEM para modelar adecuadamente flujos viscosos no Newtonianos, permitiendo resolver problemas prácticos de diseño de tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales. Además, comparado con otros enfoques paralelos reportados en la literatura, el utilizado aquí es relativamente fácil de implementar en herramientas de dinámica de fluidos computacional. Así, otra de las contribuciones de este trabajo es el desarrollo de un algoritmo en paralelo adecuado para herramientas basadas en FEM que modelen pulpas minerales. Finalmente, otra de las contribuciones de este trabajo está asociada con el estudio numérico por primera vez de pulpas minerales reales recientemente caracterizadas en la literatura.