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.
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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].
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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
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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
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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 resultados
del edificio en la Figura 3, la línea en azul reporta
el resultado experimental obtenido a través del
tiempo, las líneas roja y verde presentan los
resultados de estudios numéricos con tamaño de
malla refinada y malla estándar, respectivamente.
Figura 2.- Líneas de corriente en perfil H [16].
Figura 3.- Líneas de corriente en techo colgante [16].
En resumen, las comparaciones en los tres casos
los autores concluyen que las velocidades de las
simulaciones por mallado refinado son cercanas
a los determinados experimentalmente, esto se
esperaba ya que el mallado refinado en el
contorno se usa especialmente en geometrías
complicadas y para poder visualizar de mejor
manera los efectos que se producen gracias a la
capa límite del fluido en este caso el viento sobre
los perfiles de las edificaciones.
Los resultados obtenidos para la medición de
velocidad numérica y experimentalmente
presentan una diferencia máxima de 9% y se da
para el caso presentado en la Figura 4 en el sensor
12, esto demuestra que el Software ANSYS
Fluent® puede considerarse una herramienta de
simulación para predicción, evaluación o para
comparación confiable que brinda ayuda para
analizar el comportamiento del viento.
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Figura 4.- Monitoreo de velocidad en los puntos 1 y 12 sobre techo colgante [16].
Otra investigación que tratan al análisis del flujo
sobre edificaciones utilizando el modelado
numérico es la realizada por Bustamante et. al.
[17], quienes a través de un simulador de
dinámica de fluido (Autodesk® Vasari)
reproducen el flujo del viento de la ciudad de
Punta Arenas, Chile. Se alimentó al software con
la información climática de la ciudad obtenida
mediante estaciones meteorológicas móviles
Datalogger del tipo NOMAD de Secondwind, y
posteriormente se procedió a realizar la
simulación por bloques de 2 x 2 cuadras. Los
resultados obtenidos se muestran en la Figura 5.
De sus resultados ellos concluyen que la
herramienta del CFd permite entre otras
características:
*Evaluar con más precisión la encrucijada de
calles al considerar los comportamientos de
remolinos laterales en el cañón urbano y cómo
estos afectan a la comodidad peatonal.
*Visualizar mejor las incidencias de cambio de
alturas dentro de la trama urbana, saliéndose de
la rugosidad de la ciudad y su impacto dentro del
espacio público.
*Reconocer las diferencias de comportamiento
térmico entre veredas de las calles que están
transversalmente al viento predominante.
Figura 5.- Plano de flujo de aire sobre la ciudad [17].
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Otro tipo de fenómeno que produce afectaciones
al medio ambiente es el “cañón urbano”
producido por las edificaciones, el término define
a una calle conformada por edificios a ambos
lados, que le otorgan una configuración de cañón.
Las ciudades están formadas por cañones
urbanos que forman estructuras complejas que,
por una parte, dificultan el flujo libre del aire al
disminuir la ventilación, y por el otro, provocar
un atrapamiento de los contaminantes que debido
precisamente a la reducida ventilación pueden
ocasionar niveles inadecuados de calidad del aire
con el consiguiente efecto en la salud humana
[18]. Un cañón urbano se define por tres
parámetros principales (H, W, L), tal y como se
indica en la Figura 6. H es la altura máxima de
los edificios en el cañón, W la anchura del cañón
y L la longitud. Una vez establecidos los tres
parámetros la descripción geométrica del cañón
se limita a tres simples medidas: la relación H/W,
que describe las proporciones del cañón urbano
en función de la altura (H) y ancho de calle (W),
la relación L/H y la densidad edificada j=Ar/Al,
donde “Ar” es el área aproximadamente plana de
la cubierta edificada y “Al” el área “lot” o área
del suelo ocupada por cada edificio. Otros
descriptores geométricos que lo caracterizan es la
orientación del cañón (θ) que describe el ángulo
en grados del cañón respecto al eje Norte-Sur, y
generalmente se indica la dirección cardinal (N-
S, E-W) o (NW-SE, NE-SW), y el factor de
visibilidad del cielo (skyview factor), que
describe la porción del cielo visible desde una
superficie dada, en un punto específico o dentro
de un área urbana.
Figura 6.- Vista esquemática de un cañón urbano simétrico y sus descriptores geométricos SVF y H/W [18].
No es tarea fácil explicar las características
generales de la dispersión en cañones urbanos, ya
que además del fenómeno de la turbulencia, ya
de por sí difícil de describir, intervienen otros
factores que también la afectan. Al considerar la
dirección del viento encima del cañón urbano, se
pueden distinguir dos escenarios principales: el
caso 1, cuando el viento sobre el cañón urbano
(viento ambiental) tiene una dirección
perpendicular o casi perpendicular al eje del
cañón o de la calle y el caso 2, cuando la
dirección del viento es paralela o casi paralela a
este. Cuando las direcciones del viento son
perpendiculares o casi perpendiculares al eje de
la calle, la dispersión de los contaminantes
atmosféricos puede ser vista bajo diferentes
regímenes de flujo. Oke [19] clasifica a esos
patrones de flujo de acuerdo con la relación
existente entre la altura de los edificios (“H”) y
el ancho (“W”) de la calle, y se establecen tres
regímenes de flujo que dependen sobre todo de
las relaciones entre la altura media de los
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edificios (H) y el ancho del cañón (W), y a la vez
entre la longitud de la calle (L) y la altura media
de los edificios (H), tal como se muestra en la
Figura 7. Estos tres tipos de flujo pueden
presentarse como (a) aislado, (b) en estela
interferida, y (c) en vórtice. Por ejemplo, para
edificios frontales ampliamente espaciados
(H/W<0.3), los flujos asociados con edificios
separados por la calle no interactúan entre sí. En
cambio, cuando la calle no es tan ancha
(0.3<H/W<0.7) la estela originada por el edificio
ubicado a sotavento es perturbada por el edificio
situado a barlovento. Finalmente, en el caso en
que el espaciamiento entre edificios separados
por una calle sea aún menor (0.7<H/W) se
origina un vórtice estable en el interior del cañón
urbano que interactúa levemente con el flujo de
aire exterior. Este vórtice induce a que el flujo del
aire a nivel de la calle tenga una dirección
contraria a la del viento que circula sobre los
edificios.
Figura 7.- Flujo del aire sobre cañones urbanos aumentando su relación H/W [19].
Lipp [18] concluye que la contaminación
atmosférica en cañones urbanos por lo general se
presenta en niveles varias veces superiores a la
contaminación de fondo urbana. Los vehículos
son las principales fuentes de contaminantes del
aire, que contribuyen a un serio deterioro del aire
ambiente urbano. Los contaminantes emitidos
desde estas fuentes, inicialmente son afectados
por las características propias de su emisión,
luego son influidos por la turbulencia generada
por el movimiento de los autos y finalmente por
la turbulencia propia del aire en el interior del
cañón urbano. Su remoción de la canopia urbana,
por otra parte, es compleja debido sobre todo a la
configuración de las fuentes, al ancho de calles y
avenidas, a la interferencia de los edificios, y a la
velocidad y dirección del viento. Todos estos
fenómenos pueden actuar simultáneamente e
intensificar el impacto.
Después de revisar el estado del arte de la
problemática y fenómenos asociados a
contaminación sobre medios urbanos, se describe
a continuación el método para desarrollar un
prototipo que permita la visualización de flujo
sobre medios urbanos a escala.
2. Metodología experimental
La implementación de la técnica de visualización
de flujo con solidos sobre modelos urbanos a
escala se aplica en una zona de pruebas cuadrada
construida de acrílico de 0.3 m x 0.3 m de sección
transversal, espesor de 0.09 m y una longitud de
1 m, tal como se aprecia en la Figura 8. El aire
que fluye en esta zona de pruebas es impulsado
por un ventilador axial tipo tambor estándar de
0.76 m de diámetro de 4 aspas, con un peso de
275 N y caudal máximo de 3.6 m3/s.
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La zona de pruebas se conecta a una tobera
convergente que contiene el ventilador
mencionado. Se conoce de la literatura [20-25]
que una tobera de diferentes características
(convergente-divergente, sónica o supersónica)
permite inyectar o extraer un flujo de aire
turbulento en alguna sección. Para esta
investigación se decidió construir una tobera
convergente de flujo subsónico debido a su fácil
implementación, bajo costo y que permite la
aceleración del flujo en la zona de pruebas.
En la Figura 9 se muestra el isométrico del diseño
la tobera convergente, la cual se elabora de
madera comprimida de 0.025 m de espesor y
longitud de 1.2 m. Para generar un flujo uniforme
en la zona de pruebas se optó por colocar un
honeycomb a la salida de la tobera como se
muestra en la Figura 10, este accesorio tiene la
especificación técnica de HK-5/32-2.5, que se
toma del catálogo de Gill Corporation [26].
Figura 8.- Zona de pruebas de acrílico.
Figura 9.- Tobera convergente.
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El panal hexagonal instalado está fabricado con
material de aramida y para unirlo al interior de la
sección de contracción se utilizó soldadura
escocesa (scotch-weld) con el adhesivo
estructural de uretano EC-3532 B/A, para
realizar la unión fue necesario limpiar la
superficie y posteriormente se mezcla isocianato,
generalmente conocido como endurecedor o
acelerador, con poliol durante 30 segundos
aproximadamente, lo que proporciona un tiempo
de trabajo entre 5 a 15 minutos, durante el cual se
realizó la aplicación del adhesivo en el contorno
del panal para posicionarlo y dejar curar durante
24 horas.
Figura 10.- Inserción de Honeycomb en tobera subsónica.
Para caracterizar la zona de pruebas se determina
la presión dinámica promedio en la sección
transversal como lo indica Wang [27], además
sugiere que la distribución de los puntos de
medición (Figura 11) se establezcan basado en la
norma de la ASHRAE Standard 111-88 [28], y
basados en esta norma para la zona de pruebas de
esta investigación se utilizan 25 puntos para
determinar la velocidad promedio en la sección
transversal.
Figura 11.- Distribución de puntos de medición en una sección cuadrada [28].
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La metodología para tratar los resultados de las
mediciones de la presión dinámica en la zona de
pruebas se explica en el documento de Morales
et. al. [29]. En este articulo también se indica que
la densidad del aire (ρ) se calcula basado en la
guía de Becerra y Guardado [30]. Para
determinar el valor de la densidad del aire y su
incertidumbre durante esta investigación se
utilizan los programas de cómputo registrados
ante Indautor por Gómez et. al. [31] y Castillo et.
al. [32], los datos requeridos para tal cálculo
(presión atmosférica, humedad y temperatura del
aire) se obtuvieron con los datos de la estación
meteorológica instalada en la Facultad de
Ciencias de la Ingeniería y Tecnología
(FCITEC).
Finalmente, para indicar las propiedades del flujo
se determinan los números adimensionales según
lo indica Mott [33].
Número de Mach:
 
(1.1)
Donde:
umedia = velocidad promedio (m/s).
C = velocidad del sonido en el aire a la
temperatura a la cual se realiza el experimento y
se determina: C , Dónde: k=1.4 y
representa la relación de calores específicos.
Numero de Reynolds:
 
(1.2)
Donde:
4R = radio hidráulico (m).
µ = viscosidad dinámica del aire (Pa-s).
Intensidad de la turbulencia:
 
 (1.3)
Donde la velocidad promedio temporal (urms) se
define con la ecuación:

 󰇟󰇠
(1.4)
Donde:
ui = velocidad instantánea (m/s).
La metodología para la visualización de flujo con
solidos en el modelo del medio urbano se
implementa con los siguientes pasos:
1.- Utilizando una guía (pala o papel) colocar la
cantidad requerida de trazador (volumen de
material para visualización) sobre el modelo
urbano a escala, el cual se coloca en una base
llamada mortero (Figura 12) para que permita
que el material se distribuya uniformemente en
toda la superficie.
2.- Insertar el modelo urbano en el interior de la
zona de pruebas (Figura 13), y fijar el modelo.
3.- Encender el ventilador a la potencia necesaria,
y permitir que el flujo circule sobre el modelo al
menos durante 3 minutos.
4.- Apagar el ventilador después de este tiempo y
capturar la imagen del comportamiento del flujo
sobre el modelo urbano.
5.- Retirar los residuos de la maqueta y limpiar la
misma para su almacenamiento.
Los materiales utilizados para probar la técnica
de visualización con solido se enlistan en la Tabla
1. La arena sílica 20-40 [34] es utilizada para la
preparación de morteros epóxicos, ya que esta
presenta una densidad que permite su
desplazamiento al contacto con el aire.
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Tabla 1. Propiedades de materiales para visualización.
Material
Densidad (kg/m3)
Alpiste
0.00075
Arena Sílica
0.002
Bicarbonato de sodio
0.0026
Confeti
0.0008
Figura 12.- Mortero para distribución de arena.
Figura 13.- Maqueta de medio urbano instalado.
El modelo de medio urbano está constituido por
12 prismas cuadrados, dos tienen una longitud
D=0.06 m y los restantes diez con d=0.036 m, los
cuales están separados a una distancia Y=0.048
m, todos cuentan con una altura W=0.3m, tal
como se indica en la Figura 14. Con esta
configuración se tiene un modelo urbano con una
relación de W/Y=6.25, la cual es muy elevada
para lo reportado por Oke [19], y por lo tanto se
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tendrá una influencia en el comportamiento del
flujo. Los 12 prismas instalados en la placa se
construyen con una impresora 3D de la marca
XYZ Printing Da Vinci® que utiliza filamentos
de PLA (ácido poli láctico) con diámetro de
0.00172 m.
Figura 14.- Nomenclatura en modelo urbano.
3. Resultados y discusiones
La tobera subsónica construida se instala en el
laboratorio de Fluidos de la FCITEC y se muestra
en la Figura 15. Para obtener los valores de
velocidad del aire en la zona de pruebas se
utilizan los instrumentos de medición mostrados
en la Figura 16, a) tubo de Prandtl y b)
manómetro digital modelo ExtechHD350 [35] y
c) modelo de utilidad diseñado por Morales et. al.
[36]. Los números adimensionales de Reynolds
y Mach obtenidos para las condiciones del
experimento indican que se tiene flujo turbulento
e incompresible en la zona de pruebas de la
tobera subsónica; la longitud característica
utilizada para el Reynolds es el Radio hidráulico
y los resultados son: Re = 304992 y Mach =
0.01. La velocidad promedio obtenida en la zona
de pruebas sin colocar el prototipo en el interior
es de 4.18 m/s ± 0.3 m/s, las condiciones
atmosféricas que se monitorean durante las
pruebas se enlistan en la tabla siguiente:
Tabla 2. Condiciones ambientales.
1.136
24.56
20
1.8683x10-5
97283.703
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Figura 15.- Tobera subsónica.
Figura 16.- Instrumentos de medición.
La incertidumbre estadística encontrada en la
medición de la velocidad indica que el flujo
presenta un comportamiento irregular en la zona
de pruebas, por lo que se decidió realizar una
simulación numérica del flujo en el prototipo
completo utilizado el software Solidworks [37],
para los mismos parámetros geométricos y de
flujo que en el experimento. Para la simulación
numérica se estableció flujo interno con régimen
turbulento (el modelo de turbulencia que utiliza
el software por default es k-ε), las condiciones
iniciales de presión atmosférica y temperatura se
consideran estándar, las condiciones de frontera
se establecieron con una velocidad de entrada
para un ventilador axial y presión atmosférica a
la salida de la zona de pruebas, las paredes del
dominio computacional se consideran
adiabáticas, el fluido de trabajo es aire y la
gravedad se estableció con un valor de 9.81 m/s2.
Para el mallado del dominio computacional se
utilizó la opción automática nivel 3.
En la Figura 17 se muestran los vectores de
velocidad encontrados en la simulación, se
aprecia que el flujo ingresa a la zona de pruebas
con rotación generada por el ventilador axial y
maximizado por reducción de la tobera, lo que
conlleva a encontrar un flujo que presenta una
turbulencia elevada en la sección transversal de
la caja de acrílico (tal como se encontró
experimentalmente con Tu=7%). Como
conclusión de esta simulación se tiene: es posible
realizar un experimento con este prototipo, se
puede utilizar la visualización de flujo para
obtener un análisis cualitativo aceptable del
comportamiento de un contaminante en un medio
urbano, no así para un resultado cuantitativo.
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Figura 17.- Resultado numérico de flujo turbulento en zona de pruebas.
En la Figura 18 se muestran los resultados
obtenidos con los diferentes tipos de materiales
sólidos utilizados para la visualización de flujo.
La cantidad de material utilizada en cada caso fue
pesada en una báscula para tener un control de
los experimentos (100 gr para arena y
bicarbonato, 400 gr para alpiste y confeti).
Figura 18.- Visualización de flujo (imagen en sentido horario): alpiste, arena sílica, bicarbonato de sodio y confeti.
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De los resultados se aprecia que tanto la arena
sílica como el bicarbonato presentan de mejor
manera el comportamiento del flujo, mostrando
claramente las acumulaciones de material a
diferencia del alpiste o el confeti, este último no
se comportaba estable y después de un tiempo
variaba su conformación. Finalmente, por el bajo
costo del bicarbonato hace que sea el material a
sugerir para las pruebas en este tipo de técnica de
visualización.
En la Figura 19 se observa el paso de un flujo
turbulento de aire a través de un medio urbano a
escala. En ella se destacan con un punto rojo las
zonas donde se presenta acumulación de
contaminantes, en este caso representados por
[las acumulaciones de] bicarbonato de sodio.
Estas zonas que se caracterizan por una baja
circulación de viento y por consiguiente alta
temperatura, se relacionan con el efecto “isla de
calor”. Además, son propensas a la acumulación
de contaminantes, por lo que es ahí donde se
espera que la plantación de áreas verdes pueda
ayudar a mitigar ambos efectos. De manera
opuesta, las líneas azules muestran el paso del
flujo libre del aire característico de grandes
avenidas interconectadas, las cuales serán
positivas en la dispersión. Esta representación del
comportamiento del flujo es similar a la obtenida
por Drach y Corbella mostrados en la Figura 2.
Algunas trayectorias del flujo relacionadas con la
generación de vórtices que conllevan a la
acumulación simétrica del contaminante son
mostradas por las flechas verdes. Por otro lado,
la Figura 20 corresponde a un mapa de contornos
adimensionales obtenidos de un análisis
numérico del flujo en un medio poroso (también
puede considerarse como una zona urbana) que
muestra un patrón de flujo similar al obtenido
experimentalmente en esta investigación. La
simulación numérica fue realizada por Alonzo et.
al. [38], para un flujo turbulento (Re=50000) con
una relación de aspecto D/d=0.6 (relación entre
ancho de cada prisma) similar a la que se tiene en
esta investigación. En el resultado numérico se
aprecian en rojo las zonas de desprendimiento de
flujo y generación de turbulencia, las cuales
coinciden con las regiones en forma de lóbulo sin
trazador en las zonas frontales del modelo
experimental, y aquellos en las corrientes
laterales de flujo que se interconectaron a lo largo
del modelo.
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Figura 19.- Visualización de flujo con bicarbonato de sodio en un medio urbano.
Figura 20.- Análisis numérico del flujo en un medio poroso [38].
4. Conclusiones
Se construyó y caracterizó una tobera
convergente subsónica para aplicaciones de
visualización de flujo con sólido. La zona de
pruebas del prototipo presenta flujo turbulento
con una turbulencia del 7% sin la presencia del
modelo. El prototipo de visualización de flujo
construido permite realizar un análisis cualitativo
confiable del flujo en un medio urbano, y fue
probado para un medio poroso con cilindros de
diferente diámetro. De los 4 materiales utilizados
para aplicar la técnica de visualización de flujo,
el bicarbonato de sodio presenta mejores
condiciones en cuanto a su viabilidad de
aplicación, y capacidades de representar zonas de
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bajas y altas velocidades. Este trabajo, presenta
las bases para nuevos intentos orientados a la
visualización de los patrones de flujo en medios
urbanos reales a escala, y otros afines. De esta
manera, se busca encontrar regiones donde la
emisión de cierto contaminante es en especial
dañina, o bien, donde se espera que la
implementación de políticas de áreas verdes sea
en especial positiva.
5. Reconocimiento de autoría
Oscar Adrián Morales Contreras:
Conceptualización, experimentación,
investigación y escritura. Alejandro Alonzo
García: Conceptualización, experimentación,
investigación y escritura. Juan Antonio Paz
González: Conceptualización, experimentación,
investigación y escritura. Raúl Vázquez Prieto:
Conceptualización, experimentación,
investigación y escritura. José Emilio López
Escobar: Conceptualización, experimentación,
investigación y escritura.
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (2): e347.
Derechos de Autor (c) 2024 Oscar Adrián Morales Contreras, Alejandro Alonzo García, Juan Antonio Paz González,
Raúl Vázquez Prieto, José Emilio López Escobar
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