Flujo confinado de partículas en tuberías curvas de paredes con rugosidades a gran escala
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Español
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Resumen
Diversas aplicaciones tecnológicas e industriales —entre ellas el transporte neumático, la separación y manejo de sólidos, los sistemas HVAC y de calidad de aire— dependen de la predicción del flujo, el transporte de partículas y, según la aplicación, la deposición de estas. Ahora bien, en flujos internos, y particularmente en geometrías curvadas, la existencia de estructuras de flujo secundario, capas cortantes y zonas de separación del flujo condicionan y afectan el comportamiento de la fase dispersa. En este sentido, esta tesis se adentra en dos temáticas afines: (i) cuál puede ser el efecto de las rugosidades de gran escala (entendidas como elementos de pared cuya altura es mayor que la subcapa viscosa) en la deposición de partículas en flujos curvos y (ii) cuál es el efecto sobre el flujo debido a la interacción conjunta entre dichas rugosidades y una fase particulada en flujos curvos. ¿(i) cuál puede ser el efecto de las rugosidades de gran escala en la deposición de partículas en flujos curvos y (ii) cuál es el efecto sobre el flujo debido a la interacción conjunta entre dichas rugosidades y una fase particulada en flujos curvos?. El caso base considerado fue el flujo en codos de sección circular de 90 grados. Para el abordaje de estos fenómenos se emplearon, mayoritariamente, simulaciones numéricas del tipo UDNS/LES y seguimiento lagrangiano de partículas, con el propósito de caracterizar la evolución de la fase de transporte y la fase particulada. Asi mismo, se analizó el comportamiento de las estructuras vorticales, las métricas turbulentas, la distribución y deposición de partículas, y su relación con parámetros adimensionales y las geometrías consideradas. Estos estudios numéricos evidenciaron un incremento en la eficiencia de la deposición de partículas debido a la presencia de rugosidades, en comparación con los codos curvos lisos, ya sean de sección circular o cuadrada. También se encontró que la redistribución del momento y la organización del flujo secundario —producto del efecto sinérgico entre partículas y rugosidades— se traducen en cambios sistemáticos en las regiones preferenciales de concentración de partículas, así como en la modificación del flujo a nivel macro y micro. Por lo anterior, los resultados proveen una base para el desarrollo de posteriores investigaciones que involucren el filtrado pasivo de material particulado o la modulación pasiva de este tipo de flujos. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Various technological and industrial applications—among them pneumatic conveying, solids separation and handling, and HVAC and indoor-air-quality systems—rely on predicting the carrier flow, particle transport, and, depending on the application, particle deposition. In internal flows, and particularly in curved geometries, the presence of secondary-flow structures, shear layers, and flow-separation regions constrains and governs the behavior of the dispersed phase. In this sense, this thesis addresses two closely related topics: (i) the effect of large-scale roughness elements (here understood as elements with height greater than the viscous sublayer) on particle deposition in curved internal flows and (ii) the impact on the flow field arising from the coupled interaction between such roughness and a particulate phase in curved flows. The baseline configuration considered is the flow through 90◦ elbows. To study these phenomena, the work primarily employs UDNS/LES-type numerical simulations together with Lagrangian particle tracking, aiming to characterize the evolution of both the carrier phase and the dispersed phase. Likewise, the behavior of vortical structures, turbulence metrics, particle distribution and deposition, and their connections to the relevant dimensionless parameters and the geometries considered are analyzed. These numerical studies indicate an increase in particle deposition eff iciency due to the presence of roughness, relative to smooth curved elbows of either circular or square cross-section. It is also found that the redistribution of momentum and the organization of the secondary flow—resulting from the synergistic effect of particles and roughness—lead to systematic changes in preferential regions of particle concentration, as well as to modifications of the flow at both macro- and micro-scales. Therefore, the results provide a foundation for further investigations involving passive filtration of particulate matter or passive modulation of this class of flows.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, tablas