Simulaciones CFD en el tratamiento de aguas residuales: Uniendo teoría y realidad

El ámbito de la mecánica de fluidos es una intrincada red de física, modelos matemáticos y aplicaciones del mundo real. En la industria de tratamiento de aguas residuales, comprender estas dinámicas de fluidos no es sólo un ejercicio científico, sino una necesidad. Aquí es donde entra la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) – una herramienta crucial que ha revolucionado la forma en que abordamos y resolvemos problemas de mecánica de fluidos en situaciones reales.

Los orígenes del viaje CFD de INVENT

En la década de 1990, la fundación de INVENT por el Dr.-Ing. Marcus Höfken marcó el inicio de la aplicación rigurosa de la mecánica de fluidos en el tratamiento de aguas residuales. Con raíces en el Departamento de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Erlangen-Núremberg, bajo la dirección del Profesor Dr. Franz Durst, INVENT nació de una auténtica pasión por la mecánica de fluidos, combinada con un enfoque científico riguroso.

Desde sus primeros días, INVENT reconoció el potencial de las simulaciones CFD, aprovechando sus capacidades en colaboraciones con instituciones académicas. Reconociendo su inmenso potencial, la empresa pronto estableció un departamento interno de CFD, que rápidamente evolucionó para atender exclusivamente las complejidades del tratamiento de agua y aguas residuales. Desde modelar agitadores con geometría CAD detallada hasta simulaciones multifásicas para tanques aireados, INVENT estuvo a la vanguardia, desafiando convenciones y elevando estándares.

CFD en el tratamiento de aguas residuales: uniendo brechas teóricas y prácticas

Pero ¿qué es CFD? En esencia, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es el uso de matemáticas aplicadas, física y software computacional para modelar y visualizar flujos de fluidos.

Existen numerosos ejemplos: los tanques aireados, por ejemplo, requieren simulaciones multifásicas. Estas simulaciones pueden ayudar a predecir la Tasa Estándar de Transferencia de Oxígeno (SOTR), una métrica crucial en el tratamiento biológico de aguas residuales. Además, entender el movimiento y comportamiento de los sólidos suspendidos y el fango activado es vital. El CFD ayuda a modelar estos fenómenos, proporcionando información sobre trayectorias de partículas, patrones de sedimentación y más.

En reactores de tanque agitado o estaciones de bombeo, los efectos en la superficie del agua, a menudo marcados por comportamientos turbulentos y formación de vórtices, pueden ser complejos. Las simulaciones CFD, al modelar estos efectos superficiales, ayudan a los ingenieros a diseñar y optimizar procesos de tratamiento.

A medida que profundizamos en el modelado de tratamiento de aguas residuales, la importancia de características y técnicas específicas se vuelve indispensable. Aquí está el porqué:

1. Turbomaquinaria rotativa: No se puede subestimar la importancia de modelar con precisión la tubomaquinaria rotativa. En las plantas de tratamiento de aguas residuales, estas máquinas juegan roles fundamentales, asegurando una circulación eficiente del flujo y la suspensión de sólidos. El modelado preciso garantiza una representación confiable de la operación real de bombeo.
2. Simulación multifásica para aireación: La aireación es crítica para los procesos de oxidación biológica en el tratamiento biológico de aguas residuales. Comprender la física intrincada, como la dinámica de burbujas, es esencial. Factores como la ruptura de burbujas, su eventual coalescencia y la transferencia de masa son clave para predecir de manera confiable la tasa de transferencia de oxígeno.
3. Transporte de flóculos de fango: Los flóculos de fango, o partículas agregadas, también requieren una investigación y modelado cuidadosos. Al considerar las simulaciones multifásicas para su transporte, entra en juego un factor complejo: la reología. A medida que aumenta la concentración de estos flóculos, el comportamiento del fluido se desvía del ideal newtoniano, adoptando características de fluidos no newtonianos. Esta alteración en el comportamiento del fluido, junto con los efectos de floculación, donde las partículas se agrupan para formar agregados más grandes, añade capas de complejidad al proceso de modelado.

Sin embargo, queda un desafío significativo. El comportamiento de los compuestos biológicos en las aguas residuales no puede ser modelado explícitamente dentro de las ecuaciones de mecánica de fluidos. Aquí es donde el enfoque numérico-empírico se vuelve esencial. Al combinar la teoría con datos empíricos, aseguramos resultados precisos basados en observaciones y validaciones del mundo real.

Las aplicaciones potenciales del CFD en este ámbito son vastas, abarcando cribados, dinámica hidráulica, distribución de agua y más. Piense en tanques anóxicos, clarificadores, canales de oxidación, digestores anaeróbicos – el CFD los cubre todos.

Herramientas y colaboración

INVENT siempre está al día cuando se trata de tecnología CFD. El software M-STAR, con su enfoque Lattice-Boltzmann para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes, ofrece técnicas avanzadas de modelado de turbulencia, como la “Large Eddy simulation” (LES). Impulsado por GPUs, permite simulaciones dinámicas precisas en el tiempo, proporcionando una visión incomparable de los fenómenos turbulentos.

La turbulencia, después de todo, es fundamental para la mezcla. Cuanto más precisamente se modele la turbulencia, mejores serán las predicciones relacionadas con la mezcla, una piedra angular en los procesos de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, la verdadera fortaleza del departamento de CFD de INVENT no radica solo en sus superiores herramientas de software y hardware, sino en su persistente esfuerzo por la validación numérica. Al comparar continuamente los resultados de las simulaciones con datos experimentales, ya sea en colaboración con instituciones académicas o mediante experimentos in situ en plantas de tratamiento de aguas residuales, INVENT asegura la máxima fidelidad en sus simulaciones CFD.

Al final, el mejor CFD es mucho más que una simulación, es también validaciones experimentales continuas y calibraciones utilizando un enfoque numérico-empírico.

Conclusión

En un mundo donde la precisión importa, el uso de CFD en el tratamiento de aguas residuales no es un lujo, sino una necesidad. A medida que la industria demanda soluciones más sostenibles y eficientes, el puente entre simulaciones teóricas y validaciones experimentales será aún más vital. INVENT continuará siguiendo este camino y simulando las complejas aguas en la industria del agua y aguas residuales.

Para más información, visita la web de THINK Fluid Dynamix®: https://think-fluid-dynamix.com