Simulación numérica de estructuras biomiméticas para la captación de agua ambiente

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

The shortage of drinking water affects millions of people, with a particular impact on rural areas of Colombia. In view of this situation, passive, low-cost, and low-maintenance solutions are explored that are capable of harnessing ambient humidity as a complementary source of water. In this context, biomimicry offers valuable references: organisms and natural surfaces that favor the formation, transport, and collection of droplets. This work investigates, through simulation in ANSYS Fluent, the behavior of bioinspired geometries—such as capillaries, edges, and perforated surfaces—to evaluate their hydrodynamic performance in condensation processes under different temperatures, relative humidities, and air velocities. This project aims to simulate, using the ANSYS Fluent software, different bioinspired geometries in order to evaluate their hydrodynamic behavior in condensation processes. The methodology was organized in several stages: theoretical review, CAD modeling, numerical simulation, and comparative analysis. First, the factors that govern nucleation, growth, and coalescence of droplets were identified, as well as the most relevant natural structures to replicate. Then, geometric models were built integrating relevant features (for example, scale changes, edges, and perforations), and were implemented in Fluent by activating heat-transfer and species-transport models, with boundary conditions representative of the environment. A parameterization strategy was employed to compare configurations and sensitivities, with mesh refinement in critical zones (orifice edge, recirculation region, and boundary layers). Based on the quantitative indicators employed—mass flow difference and liquid volume fraction—the best-performing configurations were: spine (diameter 3, scenario 9), with mass flow difference = 0.033287 and volume fraction = 0.000063163; tela 2 (scenario 3), with mass flow difference = 0.0073575 and volume fraction = 0.000031907; and capillary (diameter 1, scenario 3), with mass flow difference = 0.083538 and volume fraction = 0.000035246. Taken together, capillary D1–E3 presented the highest mass flow difference, whereas spine D3–E9 achieved the highest local liquid volume fraction; these findings allow prioritizing these geometries for experimental validation and fine adjustments in subsequent stages.

Descripción

La escasez de agua potable afecta a millones de personas, con especial impacto en zonas rurales de Colombia. Ante este panorama, se exploran soluciones pasivas, de bajo costo y fácil mantenimiento, capaces de aprovechar la humedad ambiental como fuente complementaria de agua. En ese marco, la biomímesis ofrece referentes valiosos: organismos y superficies naturales que favorecen la formación, transporte y recolección de gotas. Este trabajo investiga, mediante simulación en ANSYS Fluent, el comportamiento de geometrías bioinspiradas —como capilares, aristas y superficies perforadas— para evaluar su desempeño fluidodinámico en procesos de condensación bajo diferentes temperaturas, humedades relativas y velocidades del aire. Este proyecto tiene como objetivo simular, mediante el software ANSYS Fluent, distintas geometrías bioinspiradas con el fin de evaluar su comportamiento fluidodinámico en procesos de condensación. La metodología se organizó en varias etapas revisión teórica, modelado CAD, simulación numérica y análisis comparativo. Primero se identificaron los factores que gobiernan la nucleación, crecimiento y coalescencia de gotas, así como las estructuras naturales más pertinentes para imitar. Luego se construyeron modelos geométricos integrando rasgos relevantes (por ejemplo, cambios de escala, bordes y perforaciones), y se implementaron en Fluent activando modelos de transferencia de calor y transporte de especies, con condiciones de contorno representativas del ambiente. Se empleó una estrategia de parametrización para comparar configuraciones y sensibilidades, con refinamiento de malla en las zonas críticas (borde del orificio, región de recirculación y capas límite). Con base en los indicadores cuantitativos empleados —diferencia de flujo másico y fracción volumétrica de líquido—, las configuraciones con mejor desempeño fueron: espina (diámetro 3, escenario 9), con diferencia de flujo másico = 0,033287 y fracción volumétrica = 0,000063163; tela 2 (escenario 3), con diferencia de flujo = 0,0073575 y fracción volumétrica = 0,000031907; y capilar (diámetro 1, escenario 3), con diferencia de flujo = 0,083538 y fracción volumétrica = 0,000035246. En conjunto, el capilar D1–E3 presentó la mayor diferencia de flujo, mientras que la espina D3–E9 alcanzó la mayor fracción volumétrica local; estos hallazgos permiten priorizar dichas geometrías para validaciones experimentales y ajustes finos en etapas posteriores.

Palabras clave

Ansys, Simulación, Biomimesis, Condensación

Materias

Ingeniería Mécanica -- Tesis y disertaciones académicas , Biomimética , Gestión del agua , Condensación , Mecánica de fluidos , Captación de aguas

Citación