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Simulación de la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso

Responsable: JAIME LAZARO KLAPP ESCRIBANO

Objetivos:

  1. Desarrollo de un código numérico SPH para simular la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso.
  2. Estudio de la difusión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso utilizando diversas técnicas numéricas.

Avance de un radionúclido en suelo a través de varios estratos. Agua de lluvia penetra de la parte superior del sistema y arrastra el material contaminado hacia los estratos inferiores. Las simulaciones fueron realizadas con el software comercial COM

Antecedentes:

En México, los desechos radiactivos generados por la Planta Nucleoeléctrica Laguna Verde son almacenados en depósitos temporales dentro de las mismas instalaciones de la planta. Por otro lado los desechos radiactivos generados por la industria, los laboratorios de investigación y las aplicaciones médicas, son llevados al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares para su tratamiento y almacenamiento. El ININ cuenta con una instalación temporal para el almacenamiento de estos desechos, instalación que eventualmente se cerrará y los desechos serán llevados a un almacén definitivo. Para determinar la localización de este almacén definitivo se requiere realizar múltiples estudios hidrológicos, sismológicos, climáticos, etc., y necesariamente hacer una simulación del sitio específico para poder determinar la migración de los radioisótopos en suelo. Nuestro país no cuenta con software propio que permita apoyar el estudio y análisis de los terrenos donde sea posible establecer repositorios de desechos radiactivos; los modelos existentes son genéricos y su grado de certidumbre aún es bajo, por lo que es necesario y oportuno iniciar trabajos de investigación en esta dirección para subsanar la deficiencia.

En este sentido, el grupo de Dinámica de Fluidos Computacional del ININ ha desarrollado códigos numéricos para aplicaciones astrofísicas durante las pasadas dos décadas, lo que produjo un número significativo de artículos arbitrados de investigación. Se dedicó un gran esfuerzo para adaptar algunos de nuestros códigos astrofísicos basados en la técnica conocida como “hidrodinámica de partículas suavizadas” (SPH, por sus siglas en inglés), a problemas tecnológicos y de ingeniería. Por ejemplo, una dificultad a resolver fue que mientras que en astrofísica los sistemas no tienen fronteras, en ingeniería sí las tienen. El método se desarrolló exitosamente y los resultados fueron publicados en dos artículos importantes en la revista Journal of Computational Physics, la más prestigiosa en física computacional. Con la tecnología desarrollada y los nuevos códigos se estudió el problema del flujo de petróleo a través del estrangulador de un ducto, con el objetivo de predecir el flujo y fracción aceite-gas dentro del ducto como función de la caída de presión a través del estrangulador y otras cantidades termodinámicas. Este desarrollo fue realizado como parte de un proyecto ININ-PEMEX-IMP cuyo propósito final era el desarrollo de un medidor de flujo multifásico. Con el objetivo de iniciar nuevas aplicaciones de los códigos numéricos de dinámica de fluidos desarrollados, durante el año 2010 realizamos simulaciones preliminares de la difusión y decaimiento de material radiactivo en suelo con el software de simulación numérica COMSOL.

Con el presente proyecto se pretende estudiar la difusión de contaminantes a través de un medio poroso para algún suelo específico en la república mexicana, utilizando el software de simulación numérica COMSOL, así como otros códigos desarrollados por nuestro grupo de investigación, en particular aquéllos basados en la técnica SPH ya utilizada para diversas aplicaciones científicas, tecnológicas y de ingeniería.

Logros Obtenidos:

  1. Se derivaron las ecuaciones del sistema para el problema de la dispersión de contaminantes en suelo y se desarrolló el método numérico para la solución del problema bajo determinadas condiciones a la frontera.
  2. Se determinó un problema típico para ser estudiado tanto con el software COMSOL como con el SPH.
  3. Se implementó el sistema de ecuaciones, geometría del sistema y condiciones de frontera en el software comercial de dinámica de fluidos COMSOL.
  4. Se estudió con COMSOL: a) la dispersión y decaimiento de 226Ra a través de un medio poroso con diversos estratos y propiedades fisicoquímicas; b) la difusión y adsorción de arsénico-selenio a través de columnas empacadas con biomasas no vivas; c) el problema de la formación de vórtices como resultado de la caída de gotas sobre una superficie líquida.
  5. Se estudió la formulación con SPH de ondas de choque, que será utilizada para el tratamiento de las interfaces entre fluidos de más de dos componentes.
  6. Se implementó un primer código SPH para la simulación de contaminantes a través de un medio poroso fracturado. Se estudiaron algunos casos de prueba de la dispersión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso.
  7. Se desarrolló el formalismo SPH para la modelación de un flujo multifásico a través de un medio poroso, considerando una visión fractal, triple porosidad, doble permeabilidad, compresibilidad moderada y deformación del medio poroso.

Aplicaciones:

  1. Se pretende tener la capacidad de simular problemas de flujo multifásico a través de un medio poroso, lo que se posibilita hacer investigación de muy alto nivel y brindar servicios a la industria.
  2. Entre las posibles aplicaciones se tienen las siguientes:

a) Estudio de la dispersión de contaminantes en suelo a través de un medio poroso.

b) Diseño de filtros biológicos para agua contaminada.

c) Estudio del flujo de petróleo a través de un medio poroso.

d) Desarrollo de técnicas de remediación de contaminación en suelo.

Vinculación:

Para el desarrollo del proyecto se tiene vinculación con el Dr. Leonardo Sigalotti, del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas en Caracas; el Dr. Russell Detwiler, del Departamento de Ingeniería Civil y del Medio Ambiente de la Universidad de Irvine, California; la Dra. Catalina Stern, de la Facultad de Ciencias, UNAM; el Dr. Enrique Díaz Herrera, del Departamento de Física de la UAM-Iztapalapa; el Dr. Guillermo Arreaga García, de la Universidad de Sonora; el Dr. Eduardo Nahmad Achar, del Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM, y el Dr. Marcelo Lozada y Cassou, del Instituto Mexicano del Petróleo.


Última modificación
31/03/2014 por Tonatiuh Rivero Gutiérrez

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