Modelado y simulación de la deposición de partículas en flujos bifásicos turbulentos dispersos en presencia de gradiente de temperaturaaplicación a enfriadores de gases de escape.

Resumo

En la industria existen cientos de aplicaciones que requieren de algún proceso de intercambio térmico, donde inevitablemente aparece en mayor o menor medida el proceso de ensuciamiento. Se entiende por ensuciamiento el proceso a través del cual una capa de material extraño, no deseado, se deposita sobre una superficie de intercambio térmico, provocando efectos negativos sobre la eficiencia térmica y las pérdidas de carga entre otros. En definitiva, implica un mayor coste de operación, e incluso puede ser catastrófico para el funcionamiento del sistema. Dada la transcendencia del fenómeno, su estudio experimental nace prácticamente con la revolución industrial aunque hasta mediados del siglo XX no comenzó a estudiarse de un modo teórico. Desde entonces el número de estudios así como los modelos tanto físicos como numéricos propuestos ha crecido constantemente hasta la fecha, por lo que se considera una línea de investigación todavía abierta. En esta tesis se propone un modelo Euler-0 de deposición en flujos turbulentos dispersos gas-partícula, aplicado al ensuciamiento producido en los sistemas de gases de escape de los motores diésel. Su formulación se basa en el balance entre dos procesos opuestos: deposición y erosión, que permite reproducir la evolución temporal del crecimiento del residuo. Para ello se han incorporado los mecanismos de transporte, dispersión turbulenta, difusión Browniana y termoforesis, que gobiernan el movimiento de las partículas atravesando la capa límite hasta alcanzar la pared, y su posible reincorporación al flujo. El modelo presentado ha sido adaptado para su integración en el software numérico de Dinámica de Fluios Computacional Fluent. Se ha desarrollado una estrategia de acoplamiento entre el modelo físico y numérico innovadora con la que se consiguen simulaciones más realistas para evaluar los efectos de la suciedad depositada. Se ha diseñado y desarrollado un banco sobre el que se han realizado tres tipos de ensayo: de caracterización de propiedades, de ajuste del modelo, y de validación de flujo externo e interno. En base a los resultados obtenidos, se puede concluir que el modelo presentado permite estimar con precisión el espesor del depósito que acumulará la superficie de intercambio en estudio a lo largo de su vida útil, ayudando a determinar las actuaciones de mantenimiento básicas y aportando una información vital en la etapa de diseño de los intercambiadores. Se contrasta también la capacidad y versatilidad del modelo implementado, obteniéndose unos resultados muy satisfactorios. Finalmente se proponen una serie de actuaciones futuras destinadas a mejorar el modelo presentado.