Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 7 (2): e347. Abril-Junio 2024. https://doi.org/10.37636/recit.v7n2e347
ISSN 2594-1925
1
Artículo de investigación
Prototipo para visualización de flujo con aplicación en
medios urbanos expuestos a contaminantes
Prototype for flow visualization with application in urban
environments exposed to pollutants
Oscar Adrián Morales Contreras1, Alejandro Alonzo García2, Juan Antonio Paz
González1, Raúl Vázquez Prieto1, José Emilio López Escobar2
1Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad Autónoma de Baja California, Unidad Valle de
las Palmas, Tijuana, Baja California, México
2CONAHCYT, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de Nuevo León, Av. Eloy Cavazos No.
2001, Colonia Tolteca, C.P. 67160, Guadalupe, Nuevo León, México
Autor de correspondencia: Oscar Adrián Morales Contreras, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología, Universidad
Autónoma de Baja California, Unidad Valle de las Palmas, Tijuana, Baja California, México. Correo electrónico:
moraleso97@uabc.edu.mx. ORCID: 0000-0003-0118-8132.
Recibido: 13 de Febrero del 2024 Aceptado: 15 de Mayo del 2024 Publicado: 28 de Mayo del 2024
Resumen.- Esta investigación presenta información cualitativa relacionada con la contaminación en el
medio ambiente en zonas urbanas a escala, para esto se diseña, construye y caracteriza un prototipo
denominado tobera convergente en el cual se implementa la técnica de visualización de flujo con sólidos.
La caracterización de la zona de pruebas se realiza experimental (utilizando tubo de Prandtl) y
numéricamente (utilizando el software comercial Solidworks®); se tiene flujo turbulento con
recirculación en la entrada de la zona de pruebas (la velocidad promedio es de 4.18m/s y turbulencia del
7%). Con esta técnica de visualización se analizará el flujo turbulento de diferentes materiales simulando
el comportamiento de contaminantes que circulan a través de un prototipo de medio urbano a escala. De
los diferentes materiales probados se encontró que el bicarbonato de sodio presenta las mejores
características para mostrar el comportamiento del flujo alrededor del modelo, mostrando claramente la
formación de nichos que simulan el acumulamiento de contaminantes o la aparición de islas de calor.
Palabras clave: Visualización de flujo; Dinámica de fluidos computacional; Tobera convergente; Contaminantes medio urbano.
Abstract. – This investigation presents qualitative information related to pollution in the environment in
urban areas at scale, for this a prototype called convergent nozzle is designed, built and characterized in
which the flow visualization technique with solids is implemented. The characterization of the test area is
carried out experimentally (using Prandtl tube) and numerically (using the commercial software
Solidworks®); There is turbulent flow with recirculation at the entrance to the test area (the average
speed is 4.18m/s and turbulence is 7%). With this visualization technique, the turbulent flow of different
materials will be analyzed, simulating the behavior of pollutants that circulate through a prototype of a
scale urban environment. Of the different materials tested, it was found that sodium bicarbonate presents
the best characteristics to show the behavior of the flow around the model, clearly showing the formation
of niches that simulate the accumulation of contaminants or the appearance of heat islands.
Keywords: Flow visualization; Computational fluid dynamics; Converging nozzle; Urban environment pollutants.
3 ISSN 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (2): e347.
1. Introducción
El crecimiento económico y la globalización han
originado evidentes beneficios, pero al mismo
tiempo han provocado la aparición de nuevos
riesgos. Existen dificultades e incertidumbres
para identificar con exactitud la relación causal
entre medio ambiente y salud. La medición de la
exposición a numerosos factores ambientales es
compleja porque no se dispone de sistemas
adecuados de información y vigilancia sanitaria
que permitan valorar la magnitud y gravedad de
los riesgos. La información disponible sobre las
enfermedades relacionadas con el medio
ambiente procede de la experimentación en
animales, estudios de laboratorio,
epidemiológicos y toxicológicos. Los resultados
de estos trabajos de investigación permiten
extrapolar y estimar posibles riesgos para la salud
pública. Se sabe, además, que algunas sustancias
ambientales por debajo de ciertos niveles no son
peligrosas. Sin embargo, otros agentes, tales
como alergenos, radiaciones ionizantes,
contaminantes del aire, preparados químicos
carcinógenos, pueden suponer un riesgo a niveles
más bajos de los observados [1].
Se ha estimado que en los países industrializados
un 20 % de la incidencia total de enfermedades
puede atribuirse a factores medioambientales [2].
La contaminación ambiental ha derivado en
enfermedades en la piel, cardiovasculares,
respiratorias, que al principio se presentan como
mínimas hasta que se llevan a niveles como
cáncer, alteraciones en los huesos, entre otras [3].
En Europa una gran proporción de muertes y
años de vida ajustados por discapacidad
(DALYs) en el grupo en edad infantil es
atribuible a la contaminación del aire interior y
exterior. Un dato significativo de este trabajo es
que 1/3 de las muertes en el grupo de edad de 0-
19 años es atribuible a exposiciones ambientales
[4].
Acerca de la carga de la enfermedad asociada a
la contaminación del aire, la Organización
Mundial de la Salud, manifiesta que, en todo el
mundo, 4.2 millones de muertes prematuras
fueron atribuibles a la contaminación del aire
ambiental exterior en el 2016. Alrededor del 88%
de estas muertes ocurren en países de ingresos
bajos y medios. Asimismo, indica que más de una
cuarta parte de las defunciones de niños menores
de cinco años son consecuencia de la
contaminación ambiental [5]. La Organización
Panamericana de la Salud por su parte, indica que
cada año las condiciones insalubres del entorno,
tales como la contaminación del aire en espacios
cerrados y en el exterior, la exposición al humo
de tabaco ajeno, la insalubridad del agua, la falta
de saneamiento y la higiene inadecuada, causan
la muerte de 1.7 millones de niños menores de
cinco años [6].
Por otro lado, la actividad antropogénica produce
cambios sin precedentes al medioambiente
global. La acumulación de gases de efecto
invernadero, como el dióxido de carbono (CO2)
y el metano, entre otros, tienen implicaciones en
el clima del planeta. El mundo se ha calentado en
aproximadamente 0.6°C desde 1994. El tiempo
que el CO2 reside en la atmósfera excede los 100
años, por lo cual, lo que hoy se haga en la tierra
tendrá repercusiones en las futuras generaciones
[7]. Aunque se presume que el cambio climático
puede afectar la salud, la evidencia aún es
pequeña. Las investigaciones a la fecha se han
enfocado a estrés térmico, eventos de climas
extremos, y enfermedades infecciosas, con
alguna atención de estimados futuros sobre
producción de alimentos en la región y
prevalencia de hambre [8]. Finalmente es
importante notar que la mayoría de los efectos
dañinos crónicos de la contaminación del aire
ambiental se miden, en la actualidad, a través del
material particulado menor a 2.5 micrones (PM
2.5), que penetran los espacios profundos del
pulmón [9].
3 ISSN 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (2): e347.
Debido a las grandes problemáticas expuestas, la
OMS promueve intervenciones e iniciativas para
que las políticas sectoriales (por ejemplo, de la
energía, el transporte, la vivienda, la
planificación urbana y la electrificación de los
centros de salud) mejoren la salud, aborden los
principales riesgos para la salud derivados de la
contaminación del aire interior y exterior y
permitan aprovechar los beneficios para la salud
de las políticas de mitigación del cambio
climático. La OMS también ha elaborado y
puesto en marcha una estrategia para
concientizar sobre el riesgo de la contaminación
del aire y las soluciones disponibles para mitigar
los riesgos de la exposición a ella [5]. En México
el marco normativo vigente en materia de
contaminantes se prevé en la Ley General de
Salud la cual establece en su título séptimo,
“Promoción de la Salud” Capítulo IV, “Efectos
del Ambiente en la Salud” (Artículos 116 y SS)
que, en materia de efectos del ambiente en la
salud de la población, corresponde a las
autoridades de salubridad establecer normas,
tomar medidas y realizar actividades tendientes a
proteger la salud humana ante los riesgos y daños
que pudieran ocasionar las condiciones del
ambiente, así como determinar los valores de
concentración máxima permisibles para el ser
humano de los contaminantes atmosféricos. Con
base en lo anterior, la Secretaría de Salud ha
emitido más de 42 Normas Oficiales Mexicanas
que regulan la emisión y control de
contaminantes [10].
La aplicación de normas y regulaciones se basan
y requieren de investigación del comportamiento
de las partículas en el medio ambiente, varios
estudios se han realizado desde diversas
perspectivas, medios urbanos, impacto
ambiental, modelos de transporte de
contaminantes, etc. A continuación, se
mencionan algunas investigaciones sobre el
comportamiento de aire en medios urbanos y las
técnicas de estudio.
En 2016 en la ciudad Río de Janeiro, Drach y
Corbella utilizaron la técnica de arrastre de arena
en modelos a escala de manzanas específicas de
los barrios de Copacabana e Ipanema en el túnel
de viento de la Universidad Federal de Río de
Janeiro [11]. Utilizaron un túnel de viento
diseñado por el laboratorio de Aerodinámica de
las Construcciones y fue montado en una sala de
8.80 m x 7.60 m, es capaz de desarrollar
velocidades superiores a 10 m/s, las cuales son
apropiadas para la realización de ensayos de
erosión eólica. La zona de pruebas del túnel
cuenta con una mesa de ensayos, que posee un
mecanismo giratorio que permite que los
modelos reducidos sean colocados de forma
adecuada con relación a la dirección del viento
que se desea evaluar. La maqueta se instaló en la
mesa de ensayos urbanos y las estructuras más
altas tienen alrededor de 0.150 m y las más bajas
0.03 m. Para que las maquetas permitieran la
visualización clara de los efectos de los vientos,
utilizaron color oscuro en la base de la maqueta,
arena clara y materiales resistentes a los efectos
del viento. La técnica de visualización utilizada
conocida como erosión eólica o de “arrastre de
arena” consiste en aplicar arena seleccionada
sobre todas las superficies expuestas de la
maqueta, así mismo ayuda a entender los
caminos que el viento realiza en el medio urbano,
como también sus posibles entradas y barreras. A
través de esta técnica es posible observar, en el
nivel del peatón, zonas ventiladas o estancadas,
en función de los vientos dominantes. El estudio
de las zonas donde la arena se acumula,
combinado con el estudio de la insolación,
permite identificar posibles islas de calor, así
como zonas con concentración de polución.
En el caso de Copacabana, donde una barrera de
edificios con prácticamente la misma altura
bloquea significativamente la entrada del viento,
existe una reducción de la ventilación en las
zonas más internas del barrio como se observa en
la Figura 1. En el caso de que estas áreas
4 ISSN 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (2): e347.
escasamente ventiladas estén expuestas a la
insolación, pueden presentar un aumento en la
temperatura, lo que dificultará también la
dispersión de los gases producidos por ómnibus
y automóviles.
Figura 1.- Trayectorias de flujo de viento sobre las maquetas [11].
En este artículo, los investigadores concluyen
cualitativamente a partir de los experimentos
realizados la identificación de eventuales puntos
críticos lo permitirá ensayar intervenciones que
ayuden a adecuar la necesidad de confort y de
espacio urbano. Las posibles interferencias que
pueden ser sugeridas para las áreas estancadas
varían de acuerdo con la región climática donde
están localizadas. Por ejemplo, en regiones de
clima cálido húmedo, se sabe que se debe inducir
una mayor ventilación. Así, las alteraciones de la
forma y de las posiciones de obstáculos, que
permitan el re-direccionamiento del viento,
pueden ser estudiadas para inducir un incremento
de ventilación, contando también con las
sombras para amenizar el problema y evitar la
formación de islas de calor.
De esta investigación puede destacarse la
visualización de flujo como una herramienta en
la mecánica de fluidos experimental que hace
ciertas propiedades de un campo de flujo
directamente accesible a la percepción visual. Se
sabe que la observación de un patrón de flujo
facilita el desarrollo de una comprensión y el
análisis posterior de tal fenómeno. En general y
en circunstancias normales, la mayoría de los
fluidos, gases o líquidos, son medios
transparentes y su movimiento permanece
invisible para el ser humano durante la
observación directa, a menos que se aplique una
técnica que permita la visualización del flujo.
Una gran variedad de métodos permite que el
flujo de un fluido sea visible ya sea en un
laboratorio, entornos industriales o experimentos
de campo, y aunque los principios físicos de
muchas visualizaciones de flujo utilizan métodos
escuetos, se han hecho importantes
descubrimientos con estas técnicas [12-14]. Un
ejemplo destacado es el hallazgo de la existencia
de estructuras coherentes en flujos turbulentos,
realizado por W. Liepmann quien concluye: “Es
irónico que estos complejos flujos de estructuras
fueran encontrados por los más primitivos
métodos experimentales: la visualización de
flujo” [15].
Por otro lado, la investigación realizada por
Cedillo y Marín [16] trata el comportamiento del
flujo de aire sobre edificaciones mediante un
estudio numérico con el software comercial
ANSYS-Fluent y experimental en un túnel de
viento de la marca Armfield C15 en el que se
instalaron modelos de helipuerto (edificio con
techo en H), coliseo (casa con techo a dos aguas)
y edificio con techo colgante, en la construcción
de estos modelos se respetó la semejanza
geométrica, cinemática y dinámica. Para el
5 ISSN 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (2): e347.
experimento realizado se considera que el flujo
de aire en la sección de pruebas del túnel de
viento está determinado por: Aire a presión
constante (presión atmosférica), los modelos se
analizan en régimen estacionario, las variaciones
de temperaturas se consideran despreciables, se
considera un flujo incompresible y que las
pérdidas de carga son despreciables. Mediante el
estudio numérico se analiza el comportamiento
del flujo alrededor de los modelos, en los
resultados se encontraron que se forma un vórtice
principal tipo estela en la parte posterior de las
edificaciones como en la Figura 2. Por otro lado,
se comparan los valores de velocidad obtenida
experimental y numéricamente sobre las
edificaciones, como se muestran los