INTRODUCTION

In the last 20 years, the Center for Research in Agricultural Mechanization (CEMA), has developed several investigations aimed firstly at the design and construction of forage chopping machines for the processing of thick stems and later at their improvement, carried out by different researchers like Martínez et al. (1998)MARTÍNEZ, A.; NÚÑEZ, J.; VALDÉS, P.: “Modelos para el cálculo de molinos desmenuzadores de tallos gruesos de tipo disco”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 7(1): 1-7, 1998, ISSN: 1010-2760., in the case of choppers with a disc-type working organ, as well as by Valdés (2008)VALDÉS, H.P.: Modelación físico-matemática del proceso tecnológico del órgano de corte de tambor en las picadoras de forraje con alimentación manual, [en línea] , Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias), La Habana, 186 p., 2008, Disponible en: :https://www.researchgate.net/publication/ 328209761, [Consulta: 20 de noviembre de 2019] .; Valdés y Martínez (2009)VALDÉS, H.P.; MARTÍNEZ, R.A.: “Validación del modelo de cálculo de la potencia consumida por las picadoras de forraje del tipo de tambor con alimentación manual”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 18(1): 83-84, 2009, ISSN: 1010-2760.; Valdés et al. (2010VALDÉS, H.P.A.; MARTÍNEZ, R.A.; VALENCIA, O.Y.; BRITO, D.E.: “Influencia del momento de inercia del tambor y de diferentes ángulos de alimentación constantes sobre el calibre de las partículas de forraje procesado con picadores del tipo de tambor con alimentación manual. Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 19(3): 53-56, 2010, ISSN: 2071-0054.. 2012)VALDÉS, H.P.A.; MARTÍNEZ, R.A.; VALENCIA, O.Y.; BRITO, D.E.: “Validación del modelo de cálculo de la potencia consumida por las picadoras de forraje del tipo de tambor con alimentación manual”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 21(2): 05-10, 2012, ISSN: 2071-0054., in the case of a cutting organ of the drum type, carrying out the elaboration of a theoretical physical-mathematical model of the technological process, which interrelates the physical-mechanical properties of the material to be processed, with the design and exploitation parameters. It was experimentally validated with the prototype of forage chopper of national production MF-IIMA model EM-01, during the shredding of sugarcane stalks variety C323-68, and the influence of the inertia moment and of different angles of constant and variable feeding was obtained, on the caliber of the particles, productivity and power consumed. Subsequently, in this chopper modified from the results obtained, the technological and exploitation indicators were evaluated and compared, with respect to the Brazilian chopper JF-50, in the production conditions of the livestock entities of the Institute of Animal Science (ICA), according to Valdés et al. (2015VALDÉS, H.P.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.; RODRÍGUEZ, A.D.; SUÁREZ, L.R.; GÓMEZ, A.M.V.; DELGADO, R.R.: “Determinación de los indicadores tecnológicos y de explotación de la máquina picadora de forraje MF IIMA modelo EM-01 modificada”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(3): 28-34, 2015, ISSN: 2071-0054.. 2017)VALDÉS, H.P.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.; RODRÍGUEZ, A.D.; GÓMEZ, A.M.V.; DELGADO, R.R.: “Análisis comparativo de los costos de explotación de dos máquinas picadoras de forraje”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 26(2): 4-11, 2017, ISSN: 2071-0054., obtaining positive results in favor of the chopper of national origin. However, despite having advanced in this direction, there are still reserves for the improvement of these chopping machines, due to the beating of the air generated by the rotor (chopping drum) during its rotational movement (in vacuum) and the interaction of the blades with the stems of the material to be processed and with the particles after cutting (under load), which creates fluctuations in the expulsion of these particles to the outside through the discharge tower. That can be simulated with the application of advanced computational tools, such as Computational Fluid Dynamics (CFD), for its possible improvement.

The development of advanced CAD systems has allowed increasing the fields of application of Simulation Engineering and especially Computational Fluid Dynamics (CFD). This method constitutes one of the branches of fluid mechanics that uses numerical methods and algorithms to solve and analyze problems about fluid flow. The fact that CFDs were developed later than other DACs, such as those used for thermal stress analysis, it is due to the inherent difficulties that arise in the equations that describe the flow of fluids. Today, with the enormous possibilities of computers and the development of numerical methods, CFD is becoming a very practical and efficient tool for the analysis of situations in which fluids are involved and therefore, an invaluable tool for analysis and design, according to Fujun (2004)FUJUN, W.: Computational fluid dynamics analyze-CFD theory and application, [en línea] , Inst. Tsinghua University Press, Beijing, Chine, 122-138 p., 2004, Disponible en:https://www.scirp.org/(S(lz5mqp453edsnp55rrgjct55))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=1846871, [ Consulta: 20 de noviembre de 2019] ..

At the national and international level, multiple investigations related to CFD have been developed, among which those carried out by Toneva et al. (2011)TONEVA, P.; EPPLE, P.; BREUER, M.; PEUKERT, W.; WIRTH, K.E.: “Grinding in an air classifier mill-Part I: Characterisation of the one-phase flow”, Powder technology, 211(1): 19-27, 2011, ISSN: 0032-5910, DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.03.009.; Chuanzhong et al. (2012)CHUANZHONG, X.; CAO, L.; WU, P.; HAN, D.: “Development on a Hammer Mill with Separate Sieving Device”, TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering, 10(6): 1151-1156, 2012, ISSN: 2087-278X.; Lisowski et al. (2012)LISOWSKI, A.; ŚWIĄTEK, K.; KLONOWSKI, J.; SYPUŁA, M.: “Movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante: mediciones con maíz y simulación numérica”, Biosystems Engineering, 111(4): 381-391, 2012, DOI: http://doi.org/10.1016/j.biosytemseng.2012.01.003.. They carry out the development a hammer mill with sieving devices or screens; the characterization of the flow in a phase, during milling in an air sorting mill; the movement of the chopped material in the discharge nozzle of the forage harvester with flywheel cutting unit, for measurements with corn and numerical simulation, respectively. In addition, Coussirat et al. (2012)COUSSIRAT, N.M.G.; FONTANALS GARCÍA, A.; GUARDO, Z.A. de J.: “Estudio mediante CFD de la interacción rotor-estator en una bomba centrífuga con difusor”, [en línea] , En: Anales AFA, vol. 23, pp. 34-38, 2012, Disponible en:https://www.recercat.cat/handle/2072/220297, [ Consulta: 20 de noviembre de 2019] ., performs CFD study of the rotor-stator interaction in a centrifugal pump with diffuser, as well as Lisowski et al. (2012)LISOWSKI, A.; ŚWIĄTEK, K.; KLONOWSKI, J.; SYPUŁA, M.: “Movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante: mediciones con maíz y simulación numérica”, Biosystems Engineering, 111(4): 381-391, 2012, DOI: http://doi.org/10.1016/j.biosytemseng.2012.01.003. who perform a theoretical and finite element analysis of load losses in a central pivot irrigation system; Salcedo et al. (2017)SALCEDO, R.; BAYÓN, A.; CHUECA, P.: “Introduciendo la dinámica de fluidos computacional en el análisis de flujos en medio poroso”, Modelling in Science Education and Learning, 10(1): 261-276, 2017, ISSN: 1988-3145, DOI: http://doi.org/10.4995/msel.2017.6700., introduce computational fluid dynamics in the analysis of flows in porous medium and García & Rodríguez (2018)GARCÍA, R.I.X.; RODRÍGUEZ, B.R.: “Evaluación del proceso de sedimentación de partículas discretas en flujo turbulento”, Ingeniería Mecánica, 21(3): 138-144, 2018, ISSN: 1815-5944. evaluate the sedimentation process of discrete particles in turbulent flow.

On the other hand, Herrera et al. (2006HERRERA, P.M.I.; TEIXEIRA, M.M.; RODRIGUES, G.J.; DE LAS CUEVAS, M.H.: “Modelación mediante la dinámica de flujo computacional de la corriente de aire de un pulverizador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 15(1): 12-18, 2006, ISSN: 1010-2760.; 2012HERRERA, P.M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.; RAMOS, C.E.; MARTIN, T.M.: “Simulación mediante la dinámica de fluidos por computadora del efecto de la velocidad del viento en el desempeño de los pulverizadores agrícolas de ventilador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 21(1): 19-25, 2012, ISSN: 2071-0054.; 2013HERRERA, M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.; DE LAS CUEVAS, M.H.: “Análisis de la aerodinámica del ventilador del pulverizador ASS-800 empleado en frutales”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 22(4): 15-19, 2013, ISSN: 2071-0054.; 2014HERRERA, P.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.R.; TEXEIRA, M.: “Evaluación mediante la Dinámica de los Fluidos por Computadora (CFD) de la corriente de aire del pulverizador agrícola ASS-800”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 5-11, 2014, ISSN: 2071-0054.; 2015)HERRERA, P.M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.; DE LAS CUEVAS MILÁN, H.; MARTINS, T.M.: “Efecto del viento en el flujo de aire de un pulverizador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(2): 44-48, 2015, ISSN: 2071-0054.; Endalew et al. (2010)ENDALEW, A.M.; DEBAER, C.; RUTTEN, N.; VERCAMMEN, J.; DELELE, M.A.; HERNAN, R.; NICOLAÏ, B.; VERBOVEN, P.: “A new integrated CFD modelling approach towards air-assisted orchard spraying. Part I. Model development and effect of wind speed and direction on sprayer airflow”, Computers and electronics in agriculture, 71(2): 128-136, 2010, ISSN: 0168-1699., carry out research on modeling and simulation using the computational flow dynamics of the air stream of a sprayer, analyzing the effect of wind speed on the performance of agricultural fan sprayers. They also perform analysis of the aerodynamics of the fan in the ASS-800 sprayer used in fruit trees.

In the research mentioned, there are no studies related to the object of study. Therefore, the objective is to perform CFD simulation of the discharge tower of a forage chopping machine, using the SOLIDWORKS tool to perfect its design. It is associated with the research project entitled: Development of a module of machines for the production of animal feed from different crops, code: P131LH002 - 068, approved in the National Animal Feed Program.

MATERIALS AND METHODS

Figure 1 shows the three-dimensional model of the original forage chopper and an isometric view of its digitization, using the three-dimensional design program, in this case SOLIDWORKS 2017. Figure 1(a), shows a view of the original model of the fodder chopper, complete and figure 1 (b), shows the model of the discharge tower.

Figure 2 shows the geometric (Figure 2a) and physical (Figure 2b) characteristics of the particles that were incorporated into the three-dimensional model of the discharge tower. The minimum necessary force required by the particle for its drag is in the order of 0.0195 N, obtained from the mass known according to the program. Figure 3 shows the two three-dimensional models of the discharge tower, figure 3a), without particles and figure 3b), with particles. They were distributed through three different planes of irregular shape, along the interior of the discharge tower of the forage chopper, with the aim of making a simulation as close as possible to reality.

Figure 4 presents the four zones or regions for determining the average downforce exerted by the fluid on the particles (zone 1, 2, 3 and 4) in the YZ plane, starting at the bottom and along the cross-section of the discharge tower.

Figure 5 presents an isometric view of the computational domain and detail of the refinement of the meshing at the fluid-solid interface, of the three-dimensional model of the discharge tower. Two types of refinements were made 1: on the side and bottom of the tower and 2: on the back and front of the tower.

Figure 6 presents the boundary conditions imposed on the three-dimensional model for CFD analysis. The parameters introduced to the program were: a theoretically estimated speed of 30 m/s, according to Valdés (2008)VALDÉS, H.P.: Modelación físico-matemática del proceso tecnológico del órgano de corte de tambor en las picadoras de forraje con alimentación manual, [en línea] , Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias), La Habana, 186 p., 2008, Disponible en: :https://www.researchgate.net/publication/ 328209761, [Consulta: 20 de noviembre de 2019] ., at the outlet of the chopping organ, obtaining a volumetric flow at the inlet of the tower of 0.561 m³/s; an atmospheric pressure of 103,325*10³ Pa, introduced at the outlet of the discharge tower, and a surface roughness of the interior of the tower that was declared in 3 microns.

Figure 7 presents the convergence of the project goals and number of iterations achieved during the CFD analysis, with the presence of particles in the fluid, observing that with the number of iterations performed, the appropriate convergence of the project goals is presented, which allows guaranteeing a reliability in the results obtained.

RESULTS AND DISCUSSION

Figure 8 presents the results of the distribution of the air pressure profile in three planes inside the discharge tower, a) without the presence of particles and b) with particles. Similar pressure values are obtained for both models analyzed, ranging between 101,325 and 103,811*10³ Pa, for a difference of 2,486.21 Pa, with respect to the inlet and outlet of the discharge tower, respectively.

Figure 9 presents the results of the distribution of the air velocity profile in three planes inside the discharge tower, a) without the presence of particles and b) with particles. Similar speed values are obtained for both models analyzed, ranging from 9.5 to 50 m/s, for a difference of 40.5 m/s, with respect to the input and output of the discharge tower, respectively.

On the other hand, in Figure 10, the behavior of the turbulence intensity is presented in three planes inside the discharge tower, a) without the presence of particles and b) with particles. The values obtained show a similar turbulence for both models analyzed, but a greater number of regions with turbulence in this tower are appreciated, for the model with particles.

Finally, in Table 1, the results of the calculation of the average aerodynamic force of the fluid on each of the particles in each zone are presented. The average values of this force, in the four areas studied, exceed the minimum necessary force required by the particle for its dragging (0,0195 N), with a difference of 0,8635 N for the case of the value of the lowest force obtained in zone 1, which makes it possible to expel it by the outlet of the discharge tower.

CONCLUSIONS

INTRODUCCIÓN

En los últimos 20 años, el Centro de Investigación en Mecanización Agropecuaria (CEMA), ha desarrollado varias investigaciones encaminadas primeramente, al diseño y construcción de las máquinas picadoras de forraje para el procesamiento de tallos gruesos y posteriormente a su perfeccionamiento, llevadas a cabo por parte de diferentes investigadores, según Martínez et al. (1998)MARTÍNEZ, A.; NÚÑEZ, J.; VALDÉS, P.: “Modelos para el cálculo de molinos desmenuzadores de tallos gruesos de tipo disco”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 7(1): 1-7, 1998, ISSN: 1010-2760. para el caso de picadoras con órgano de trabajo del tipo disco, así como por Valdés (2008)VALDÉS, H.P.: Modelación físico-matemática del proceso tecnológico del órgano de corte de tambor en las picadoras de forraje con alimentación manual, [en línea] , Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias), La Habana, 186 p., 2008, Disponible en: :https://www.researchgate.net/publication/ 328209761, [Consulta: 20 de noviembre de 2019] .; Valdés y Martínez (2009)VALDÉS, H.P.; MARTÍNEZ, R.A.: “Validación del modelo de cálculo de la potencia consumida por las picadoras de forraje del tipo de tambor con alimentación manual”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 18(1): 83-84, 2009, ISSN: 1010-2760.; Valdés et al. (2010VALDÉS, H.P.A.; MARTÍNEZ, R.A.; VALENCIA, O.Y.; BRITO, D.E.: “Influencia del momento de inercia del tambor y de diferentes ángulos de alimentación constantes sobre el calibre de las partículas de forraje procesado con picadores del tipo de tambor con alimentación manual. Parte I”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 19(3): 53-56, 2010, ISSN: 2071-0054.. 2012)VALDÉS, H.P.A.; MARTÍNEZ, R.A.; VALENCIA, O.Y.; BRITO, D.E.: “Validación del modelo de cálculo de la potencia consumida por las picadoras de forraje del tipo de tambor con alimentación manual”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 21(2): 05-10, 2012, ISSN: 2071-0054., para el caso de órgano de corte del tipo tambor, realizando la elaboración de un modelo teórico físico-matemático del proceso tecnológico, que interrelaciona las propiedades físico mecánicas del material a procesar, con los parámetros de diseño y de explotación, el cual se validó experimentalmente con el prototipo de picadora de forraje de producción nacional MF-IIMA modelo EM-01, durante el desmenuzado de tallos de caña de azúcar variedad C323-68, y se obtuvo la influencia del momento de inercia y de diferentes ángulos de alimentación constante y variable, sobre el calibre de las partículas, la productividad y la potencia consumida. Posteriormente dicha picadora modificada a partir de los resultados obtenidos, se evaluaron y compararon los indicadores tecnológicos y de explotación, con respecto a la picadora de origen brasileño JF-50, en las condiciones de producción de las entidades ganaderas del Instituto de Ciencia Animal (ICA), según Valdés et al. (2015VALDÉS, H.P.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.; RODRÍGUEZ, A.D.; SUÁREZ, L.R.; GÓMEZ, A.M.V.; DELGADO, R.R.: “Determinación de los indicadores tecnológicos y de explotación de la máquina picadora de forraje MF IIMA modelo EM-01 modificada”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(3): 28-34, 2015, ISSN: 2071-0054.. 2017)VALDÉS, H.P.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.; RODRÍGUEZ, A.D.; GÓMEZ, A.M.V.; DELGADO, R.R.: “Análisis comparativo de los costos de explotación de dos máquinas picadoras de forraje”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 26(2): 4-11, 2017, ISSN: 2071-0054., obteniéndose resultados positivos a favor de la picadora de origen nacional. No obstante a pesar de haberse avanzado en esta dirección, aún existen reservas para el perfeccionamiento de dichas máquinas picadoras, debido al batimiento del aire que genera el rotor (tambor picador) durante su movimiento rotacional (en vacío) e interacción de las cuchillas con los tallos del material a procesar y con las partículas después de cortados (bajo carga), lo que crea fluctuaciones en la expulsión de dichas partículas hacia el exterior a través de la torre de descarga, lo cual puede ser simulado con la aplicación de las herramientas computacionales avanzadas, como lo constituye la Dinámica de Fluido Computacional (CFD), para su posible perfeccionamiento.

El desarrollo de los sistemas CAD avanzados, ha permitido incrementar los campos de aplicación de la Ingeniería de Simulación y especialmente la Dinámica de Fluido Computacional (CFD). Este método constituye una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de fluidos. El hecho de que la CFD se haya desarrollado más tarde que otros CAD, como los utilizados para el análisis de tensiones térmicas, es debido a las dificultades inherentes que se presentan en las ecuaciones que describen el flujo de fluidos. Hoy en día, con las enormes posibilidades de los ordenadores y los desarrollos de los métodos numéricos, la CFD se está convirtiendo en una herramienta muy práctica y eficiente para el análisis de situaciones en las que estén involucrados fluidos y por consiguiente, en una inestimable herramienta de análisis y diseño, según Fujun (2004)FUJUN, W.: Computational fluid dynamics analyze-CFD theory and application, [en línea] , Inst. Tsinghua University Press, Beijing, Chine, 122-138 p., 2004, Disponible en:https://www.scirp.org/(S(lz5mqp453edsnp55rrgjct55))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=1846871, [ Consulta: 20 de noviembre de 2019] ..

A nivel nacional e internacional se han desarrollado múltiples investigaciones relacionadas con la CFD, dentro de las cuales se presentan las realizadas por Toneva et al. (2011)TONEVA, P.; EPPLE, P.; BREUER, M.; PEUKERT, W.; WIRTH, K.E.: “Grinding in an air classifier mill-Part I: Characterisation of the one-phase flow”, Powder technology, 211(1): 19-27, 2011, ISSN: 0032-5910, DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.03.009.; Chuanzhong et al. (2012)CHUANZHONG, X.; CAO, L.; WU, P.; HAN, D.: “Development on a Hammer Mill with Separate Sieving Device”, TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering, 10(6): 1151-1156, 2012, ISSN: 2087-278X.; Lisowski et al. (2012)LISOWSKI, A.; ŚWIĄTEK, K.; KLONOWSKI, J.; SYPUŁA, M.: “Movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante: mediciones con maíz y simulación numérica”, Biosystems Engineering, 111(4): 381-391, 2012, DOI: http://doi.org/10.1016/j.biosytemseng.2012.01.003.; que realizan desarrollo de un molino de martillo con dispositivos de tamizado o cribas; la caracterización del flujo en una fase, durante el molinado en un molino clasificador de aire; el movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante, para mediciones con maíz y simulación numérica, respectivamente. Además Coussirat et al. (2012)COUSSIRAT, N.M.G.; FONTANALS GARCÍA, A.; GUARDO, Z.A. de J.: “Estudio mediante CFD de la interacción rotor-estator en una bomba centrífuga con difusor”, [en línea] , En: Anales AFA, vol. 23, pp. 34-38, 2012, Disponible en:https://www.recercat.cat/handle/2072/220297, [ Consulta: 20 de noviembre de 2019] ., realiza estudio mediante CFD de la interacción rotor-estator en una bomba centrífuga con difusor, así como Lisowski et al. (2012)LISOWSKI, A.; ŚWIĄTEK, K.; KLONOWSKI, J.; SYPUŁA, M.: “Movimiento del material picado en la boquilla de descarga de la cosechadora de forraje con unidad de corte de volante: mediciones con maíz y simulación numérica”, Biosystems Engineering, 111(4): 381-391, 2012, DOI: http://doi.org/10.1016/j.biosytemseng.2012.01.003., realiza un análisis teórico y por elementos finitos de las pérdidas de carga en un sistema de riego de pivote central; Salcedo et al. (2017)SALCEDO, R.; BAYÓN, A.; CHUECA, P.: “Introduciendo la dinámica de fluidos computacional en el análisis de flujos en medio poroso”, Modelling in Science Education and Learning, 10(1): 261-276, 2017, ISSN: 1988-3145, DOI: http://doi.org/10.4995/msel.2017.6700., introduce la dinámica de fluidos computacional en el análisis de flujos en medio poroso y García & Rodríguez (2018)GARCÍA, R.I.X.; RODRÍGUEZ, B.R.: “Evaluación del proceso de sedimentación de partículas discretas en flujo turbulento”, Ingeniería Mecánica, 21(3): 138-144, 2018, ISSN: 1815-5944., evalúa el proceso de sedimentación de partículas discretas en flujo turbulento.

Por otro lado, Herrera et al. (2006HERRERA, P.M.I.; TEIXEIRA, M.M.; RODRIGUES, G.J.; DE LAS CUEVAS, M.H.: “Modelación mediante la dinámica de flujo computacional de la corriente de aire de un pulverizador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 15(1): 12-18, 2006, ISSN: 1010-2760.; 2012HERRERA, P.M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.; RAMOS, C.E.; MARTIN, T.M.: “Simulación mediante la dinámica de fluidos por computadora del efecto de la velocidad del viento en el desempeño de los pulverizadores agrícolas de ventilador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 21(1): 19-25, 2012, ISSN: 2071-0054.; 2013HERRERA, M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.; DE LAS CUEVAS, M.H.: “Análisis de la aerodinámica del ventilador del pulverizador ASS-800 empleado en frutales”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 22(4): 15-19, 2013, ISSN: 2071-0054.; 2014HERRERA, P.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.; DE LAS CUEVAS, M.H.R.; TEXEIRA, M.: “Evaluación mediante la Dinámica de los Fluidos por Computadora (CFD) de la corriente de aire del pulverizador agrícola ASS-800”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 23(2): 5-11, 2014, ISSN: 2071-0054.; 2015)HERRERA, P.M.I.; GARCÍA DE LA FIGAL, C.A.E.; DE LAS CUEVAS MILÁN, H.; MARTINS, T.M.: “Efecto del viento en el flujo de aire de un pulverizador”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(2): 44-48, 2015, ISSN: 2071-0054.; Endalew et al. (2010)ENDALEW, A.M.; DEBAER, C.; RUTTEN, N.; VERCAMMEN, J.; DELELE, M.A.; HERNAN, R.; NICOLAÏ, B.; VERBOVEN, P.: “A new integrated CFD modelling approach towards air-assisted orchard spraying. Part I. Model development and effect of wind speed and direction on sprayer airflow”, Computers and electronics in agriculture, 71(2): 128-136, 2010, ISSN: 0168-1699., realizan investigaciones sobre la modelación y simulación mediante la dinámica de flujo computacional de la corriente de aire de un pulverizador, analizando el efecto de la velocidad del viento en el desempeño de los pulverizadores agrícolas de ventilador, por otro lado, además realizan análisis de la aerodinámica del ventilador del pulverizador ASS-800 empleado en frutales.

En las investigaciones mencionadas no se aprecian estudios relacionados con el objeto de estudio. Por tanto, se presenta como objetivo realizar la simulación por CFD de la torre de descarga de una maquina picadora de forraje, empleando la herramienta SOLIDWORKS, con vista al perfeccionamiento de su diseño; asociado al proyecto de investigación titulado: Desarrollo de un módulo de máquinas para la producción de alimento animal a partir de diferentes cultivos, código: P131LH002 - 068, aprobado en el Programa Nacional de Alimento Animal.

MATERIALES Y MÉTODOS

En la Figura 1, se muestra el modelo tridimensional de la picadora de forraje original y una vista en isométrico de su digitalización, empleando el programa de diseño tridimensional, en este caso el SOLIDWORKS 2017. En la Figura 1a), se aprecia una vista del modelo original de la picadora de forraje, completa y en la Figura 1b), se aprecia el modelo de la torre de descarga.

En la Figura 2, se muestran las características geométricas (Figura 2a) y físicas (Figura 2b) de las partículas que fueron incorporadas al modelo tridimensional de la torre de descarga. La fuerza mínima necesaria que requiere la partícula para su arrastre está en el orden de 0,0195 N, obtenida a partir de la masa conocida según programa. En la Figura 3 se aprecian los dos modelos tridimensionales elaborados de la torre de descarga, Figura 1a), sin partículas y Figura 1b), con partículas, las mismas fueron distribuidas a través de tres planos diferentes de forma irregular, a lo largo del interior de la torre de descarga de la picadora de forraje, con el objetivo realizar una simulación lo más cercana posible a la realidad.

En la Figura 4, se presentan las cuatro zonas o regiones para determinar la fuerza aerodinámica promedio que ejerce el fluido sobre las partículas (zona 1, 2, 3 y 4) en el plano YZ, comenzando por la parte inferior y a lo largo de la sección transversal de la torre de descarga.

En la Figura 5 se presenta una vista en isométrico del dominio computacional y detalle del refinamiento del mallado en la interface del fluido-solido, del modelo tridimensional de la torre de descarga. Se realizó dos tipos de refinamientos 1: en la parte lateral e inferior de la torre y 2: en la parte posterior y anterior de la torre.

En la Figura 6, se presentan las condiciones de fronteras impuestas al modelo tridimensional para el análisis por CFD. Los parámetros introducidos al programa fueron: una velocidad estimada teóricamente de 30 m/s, según Valdés (2008)VALDÉS, H.P.: Modelación físico-matemática del proceso tecnológico del órgano de corte de tambor en las picadoras de forraje con alimentación manual, [en línea] , Universidad Agraria de La Habana (UNAH), Tesis (en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias), La Habana, 186 p., 2008, Disponible en: :https://www.researchgate.net/publication/ 328209761, [Consulta: 20 de noviembre de 2019] ., a la salida del órgano picador, obteniéndose un flujo volumétrico a la entrada de la torre de 0,561 m³/s; una presión atmosférica de 103, 325*10³ Pa, introducida a la salida de la torre de descarga, y una rugosidad superficial del interior de la torre que se declaró en 3 micras.

En la Figura 7, se presenta la convergencia de las metas del proyecto y número de iteraciones alcanzadas durante el análisis de la CFD, con la presencia de partículas en el fluido, observándose que con la cantidad de iteraciones realizadas se presenta la convergencia adecuada, de las metas del proyecto, lo cual permite garantizar una confiabilidad en los resultados obtenidos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 8, se presentan los resultados de la distribución del perfil de presión del aire en tres planos en el interior de la torre de descarga, a) sin la presencia de partículas y b) con partículas. Se obtienen valores de presión similares para ambos modelos analizados, que oscilan entre 101,325 y 103,811*10³ Pa, para una diferencia de 2 486,21 Pa, con respecto a la entrada y la salida de la torre de descarga respectivamente.

En la Figura 9, se presentan los resultados de la distribución del perfil de velocidades del aire en tres planos en el interior de la torre de descarga, a) sin la presencia de partículas y b) con partículas. Se obtienen valores de velocidad similares para ambos modelos analizados, que oscilan entre 9,5 a 50 m/s, para una diferencia de 40,5 m/s, con respecto a la entrada y la salida de la torre de descarga respectivamente.

Por otro lado, en la Figura 10, se presenta el comportamiento de la intensidad de turbulencia en tres planos en el interior de la torre de descarga, a) sin la presencia de partículas y b) con partículas. Los valores obtenidos manifiestan una turbulencia similar para ambos modelos analizados, pero se aprecia una mayor cantidad de regiones con turbulencia en dicha torre, para el modelo con partículas.

Finalmente, en la Tabla 1, se presentan los resultados del cálculo de la fuerza aerodinámica promedio del fluido sobre cada una de las partículas en cada zona. Los valores promedios de dicha fuerza, en las cuatro zonas estudiadas, superan la fuerza mínima necesaria que requiere la partícula para su arrastre (0,0195 N), con una diferencia de 0,8635 N para el caso del valor de la menor fuerza obtenida en la zona 1, lo que posibilita su expulsión por la salida de la torre de descarga.

CONCLUSIONES