Cómo ayuda la simulación a limpiar y gestionar el agua

Hoy se celebra el Día Mundial del Agua, que da inicio a la Conferencia de las Naciones Unidas (ONU) sobre el Agua 2023, que tendrá lugar del 22 al 24 de marzo en Nueva York. Este día es una celebración de la ONU que «sensibiliza e inspira a la acción para hacer frente a la crisis mundial del agua de los 2.200 millones de personas que viven sin acceso a agua potable», según la ONU. Sólo un 3% del agua de la Tierra es dulce, y la mayor parte está atrapada en el hielo o demasiado contaminada para su uso. Esto deja aproximadamente un 1% de toda el agua disponible para que los más de 7.900 millones de habitantes de la Tierra puedan beberla, regar nuestras tierras y utilizarla en nuestras industrias. En el espíritu del Día Mundial del Agua, nos gustaría compartir algunos ejemplos de cómo los clientes de Ansys están utilizando la simulación para tratar y gestionar el agua de manera más eficaz y desarrollar soluciones sostenibles.

Cómo ayuda la simulación a potabilizar el agua

Una de las formas de potabilizar el agua es mediante la desinfección ultravioleta (UV). La biodosimetría, que mide la inactivación de microorganismos por la radiación UV, es necesaria para validar los sistemas de desinfección UV. La simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD), junto con los resultados de bioensayos de referencia, puede utilizarse para evaluar el rendimiento del reactor en condiciones hidráulicas de entrada y salida específicas del emplazamiento, con el fin de aliviar los costes asociados a las pruebas in situ. El Laboratorio Nacional de Sandia dispone incluso de un sitio web que ofrece orientaciones y protocolos relativos a la modelización CFD que podrían facilitar la posible aceptación reglamentaria en el futuro.

Otra forma de desinfectar el agua es mediante la cloración. Un municipio utilizó las soluciones de simulación CFD de Ansys para ayudar a ahorrar cientos de miles de dólares en costes de construcción y pruebas al optimizar el tratamiento municipal del agua potable para cumplir la normativa de la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos (EPA) sobre inactivación de microbios. Pudieron reducir el uso de desinfectantes de cloro y los subproductos relacionados a la vez que ahorraban costes y reducían las interrupciones del servicio al evaluar la configuración óptima de los deflectores antes de iniciar la construcción o las adaptaciones.

Asimismo, el software de simulación CFD Ansys Fluent se utilizó con el software de diseño asistido por ordenador (CAD) Ansys SpaceClaim 3D para desarrollar tanques de mezcla eficaces para la purificación de agua, proporcionando información sobre cómo influye el mezclador de un tanque en la oxigenación del agua. El resultado fue un plazo de entrega más rápido por iteración de diseño, lo que se traduce en un ahorro de costes.

Cómo ayuda la simulación a devolver las aguas residuales al suministro

Una vez que el agua se va por el desagüe, ya sea por usos domésticos, comerciales o industriales, muchos de nosotros nos olvidamos de ella. Sin embargo, esa agua tiene un largo camino que recorrer antes de ser devuelta al medio ambiente. Se recoge y se envía a las plantas de tratamiento de aguas residuales, donde se limpia mediante procesos químicos y mecánicos antes de ser vertida. La simulación también interviene en esta fase del ciclo urbano del agua.

El tratamiento de las aguas residuales (EDAR) está estrechamente regulado por estrictas normas gubernamentales y es esencial para los procesos sostenibles. De hecho, los líderes del sector consideran la sostenibilidad como una responsabilidad social, que previene la contaminación y reutiliza el agua como uno de nuestros recursos más preciados. El objetivo de estas iniciativas medioambientales es extraer los materiales de desecho de la forma más eficiente posible, maximizando las tasas de rendimiento con el menor consumo de energía.

La simulación se ha utilizado para simular muchos procesos de clarificación del agua que permiten a los diseñadores adaptarse a límites de calidad de efluentes más estrictos y aumentar el rendimiento. Por ejemplo, los ingenieros utilizaron las soluciones CFD de Ansys para ayudar a optimizar el tratamiento del agua mediante la simulación de un nuevo modelo de flotación por aire disuelto (DAF), en el que se utilizan burbujas de aire inyectadas para transportar los sólidos del agua a la superficie, donde pueden ser eliminados. Además, la simulación de Ansys se utiliza para visualizar y predecir cómo se depositan los sedimentos en el fondo de los tanques para maximizar su eficacia.

La simulación de dinámica de fluidos de Ansys también se ha utilizado para ayudar a diseñar y operar sistemas WWT en plantas de procesamiento químico. Esto representa un gran paso adelante en un sector que tradicionalmente ha confiado en replicar diseños anteriores en plantas nuevas. Un ejemplo se centra en el paso crítico de las operaciones WWT en el que los residuos líquidos tamizados y filtrados se tratan en una gran balsa de aireación, esencialmente un gran tanque con entradas para recibir materias primas y una salida para drenar el efluente tratado. Las bacterias naturalmente aclimatadas dentro de la balsa descomponen los compuestos orgánicos en un material seguro. En el fondo de una de las balsas, unos tubos con pequeñas boquillas soplan burbujas de aire que transfieren oxígeno a los lodos para acelerar la descomposición de los residuos. El proceso de descomposición en otra balsa se ve favorecido por la acción agitadora de aireadores flotantes, cuyos impulsores empujan los residuos líquidos junto con las burbujas de oxígeno hacia el fondo de la balsa para desincentivar la sedimentación y promover una distribución más uniforme de la acción bacteriana por toda la mezcla.

Se combinaron diversas variables, como el flujo de gas-líquido, la turbulencia, el oxígeno disuelto y la cinética de las reacciones bioquímicas, en un modelo de gran dominio compuesto por 10 millones de celdas computacionales que representaban toda la cuenca de lodos. La posterior comparación de las mediciones de oxígeno disuelto en la cuenca con los cálculos de dinámica de fluidos mostró una buena correlación, validando así la precisión del método. Esta validación dio confianza a los ingenieros para utilizar el modelo en una amplia gama de simulaciones que permitieron introducir cambios en el diseño para optimizar el rendimiento de la balsa de lodos. Con el modelo CFD, los ingenieros podían cambiar unos pocos parámetros clave para estudiar rápidamente varias configuraciones alternativas y llegar al diseño más eficiente para cumplir los criterios de rendimiento. Muchas de las simulaciones utilizaron Fluent para crear isosuperficies que definen los límites que separan las regiones de varios niveles de oxígeno o velocidades de líquido, por ejemplo. Estas visualizaciones son útiles para comprender las características de un sistema complejo sometido a múltiples comportamientos.

Cómo ayuda la simulación a gestionar el agua

Aunque el agua dulce es sólo un porcentaje muy pequeño del suministro total de agua de la Tierra, puede ser demasiado de algo bueno. Las simulaciones de Ansys se utilizan para representar complejas interacciones fluido-estructura-suelo con el fin de ayudar en las evaluaciones de riesgos medioambientales para prevenir inundaciones, así como para mejorar la gestión del agua optimizando los sistemas de aguas pluviales, aliviaderos, alcantarillas y presas.

La escorrentía de sedimentos en las aguas pluviales contribuye a la contaminación de ríos, lagos y estuarios. Un cliente empleó la simulación de Ansys para ahorrar semanas de tiempo de diseño y reducir el coste de la creación de prototipos físicos en más de un 80% mediante la simulación de un nuevo diseño. Otros clientes utilizaron simulaciones de Fluent para mejorar la hidrodinámica interna de las cuencas hidrográficas para mitigar los contaminantes en la escorrentía de las precipitaciones y simular el flujo y la turbulencia del agua en estanques de aguas pluviales con vegetación, aumentando su capacidad de tratamiento.

Las simulaciones CFD de Ansys se han utilizado incluso para evaluar las condiciones del agua que son seguras para las vías piscícolas que permiten a peces como el salmón y la trucha arco iris migrar más allá de las presas. Las centrales eléctricas también utilizan la simulación de Ansys para evaluar el impacto medioambiental del vertido de agua de refrigeración de centrales térmicas y nucleares en embalses, ríos y lagos cercanos.

Cuando se trata de la gestión del agua, a menudo también hay que tener en cuenta consideraciones estructurales. Por ejemplo, Ansys Mechanical y Ansys LS-DYNA se utilizaron con simulación CFD para evaluar los factores que influyen en la respuesta dinámica de las presas, como el suelo de cimentación, los aspectos del depósito de agua y los sedimentos del fondo del embalse. Otro cliente de Ansys utilizó un proceso de diseño basado en la simulación para mejorar los índices de rendimiento de aliviaderos y alcantarillas mediante la optimización del modelado hidrológico y la planificación del suministro de agua, evaluando al mismo tiempo las medidas de rendimiento de la restauración.

Como puede ver, el agua que utilizamos se reutiliza una y otra vez, por lo que es fundamental optimizar los procesos de tratamiento y gestión en todos los aspectos de ese uso. Ansys se enorgullece de ayudar a nuestros clientes a utilizar la simulación para mejorar la forma en que conservan, tratan y gestionan el agua.