Investigación experimental y numérica del proceso de separación fluido-sólidos usando conductos curvos

Abstract

Se investigó un nuevo proceso de remoción de partículas de antracita contenidas en el agua, aprovechando las propiedades de segregación que ejerce el flujo secundario en un canal curvo, mediante investigación física e investigación numérica. En la investigación física, se construyeron dos canales en los cuales se obtuvo datos de la profundidad del agua, el campo vectorial de velocidades con un ADV y valores de eficiencia de remoción. La experimentación numérica se realizó a través de códigos computacionales distribuidos por Ansys Inc. (FLUENT y CFX), los cuales incorporan los modelos matemáticos E-E y EL, para la simulación del flujo agua y partículas. En el procedimiento metodológico se propuso una nueva metodología para la calibración de modelos numéricos incorporando una prueba de falta de ajuste con vecinos cercanos en la teoría clásica de diseño estadístico de experimentos (DEE). Como resultados se encontró la relación que existe entre la eficiencia de separación y los parámetros físicos relacionados con las propiedades del flujo agua-antracita y la geometría del canal. Se encontró una relación estrecha entre la eficiencia de separación a lo largo del canal curvo con la Intensidad de circulación secundaria y entre la eficiencia y el paso helicoidal de las partículas de antracita en su tránsito por la curva del canal, relaciones previamente desconocidas y que son un aporte significativo del presente trabajo. Se investigó el efecto del ángulo de curvatura sobre la eficiencia, encontrando que tiene un efecto importante, donde los valores máximos de la eficiencia se encuentran entre 45° y 60°, rango en el cual se puede localizar los sistemas de remoción; es interesante resaltar que este resultado es diferente a lo reportado en la literatura, donde se ha encontrado que la eficiencia de remoción se reduce al incrementarse el ángulo de curvatura a partir de los 15°. Se evaluó el efecto que tiene la geometría de la sección transversal del canal sobre la eficiencia con cuatro secciones: rectangular, trapezoidal, triangular y elíptica, las cuales muestran diferencias importantes, incrementándose el valor de la eficiencia máxima para la sección triangular y elíptica. El desarrollo de una nueva metodología que permite la calibración de modelos hidrodinámicos y una metodología robusta para medir campos de velocidades con el ADVVPII, la cuantificación del efecto de las características geométricas de los canales curvos y las propiedades del flujo sobre los procesos de separación y magnitudes que caracterizan el flujo secundario, se considera como generación de nuevo conocimiento y se constituyen en el principal aporte al estado del arte de la presente investigación al tema de la separación hidrodinámica de partículas.

Abstract: A new process of removal of anthracite particles contained in water was investigated, taking advantage of the segregation properties of the secondary flow in a curved open channel, through physical and numerical investigation. In physical research, two channels were constructed in which water depth data, velocity vector field with ADV, and removal efficiency values were obtained. The numerical experimentation was carried out through computer codes distributed by Ansys Inc. (FLUENT and CFX), which incorporate the Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian mathematical models for the simulation of water flow and anthracite particles. A close relationship was found between the separation efficiency along the curved channel with the strength of secondary circulation and between the efficiency and the helical pitch of the anthracite particles in their transit along the channel curve, relations previously unknown and that are a significant contribution of the present work. In the methodological procedure, a new methodology was proposed for the calibration of numerical models, incorporating the theory of lack of fit with near-neighbors in the classical theory of statistical design of experiments (DOE). The effect of the angle of curvature on the efficiency was investigated, finding that it has an important effect, where the maximum values of the efficiency are between 45 ° and 60 °, range in which the systems of removal can be located; It is interesting to note that this result is different from that reported in the literature, where it has been found that the removal efficiency is reduced by increasing the angle of curvature after 15°. The effect of cross section geometry on efficiency was evaluated with four sections: rectangular, trapezoidal, triangular and elliptical, which show important differences, increasing the efficiency value for the triangular and elliptical sections. The development of a new methodology that allows the calibration of hydrodynamic models and a robust methodology to measure velocity fields with the ADVVPII, the quantification of the effect of the geometric characteristics of the curved channels and the properties of the flow on the processes of separation and magnitudes which characterize the secondary flow, is considered as a generation of new knowledge and constitute the main contribution to the state of the art of the present research to the subject of hydrodynamic separation of particles.