Modelado y simulación de los procesos de transporte aerodinámico de partículas no esféricas aplicado a flujos turbulentos bifásicos de interés industrial

Abstract

Los flujos turbulentos bifásicos se encuentran frecuentemente en una gran variedad de procesos técnicos e industriales, entre ellos: transporte neumático, producción de papel, separación de partículas en ciclones, combustión de carbón y biomasa, etc. Para establecer el punto óptimo de operación de estas aplicaciones es indispensable predecir el comportamiento de la fase dispersa. Es común que en estos procesos las partículas adopten una gran variedad de formas y tamaños. Sin embargo, debido a su sencillez en el pasado el modelado se realizó bajo la suposición de partículas perfectamente esféricas. Existen en la literatura diversos estudios sobre el comportamiento de esta clase de partículas tanto en el régimen de Stokes como por fuera de él. No obstante, en la práctica esta asunción se vuelve inconveniente, sobre todo, si las partículas son alargadas, aplanadas o provienen de procesos de molienda y trituración. Esta desviación del comportamiento esférico obliga a que en el estudio de su dinámica, en las partículas no esféricas sean tenidos en cuenta los efectos combinados de forma y orientación. Por lo tanto, con el propósito de caracterizar apropiadamente el comportamiento de las partículas no esféricas, en el presente trabajo se desarrolló una estimación precisa de las fuerzas aerodinámicas y los momentos que actúan sobre su superficie. Para ello, se realizaron simulaciones numéricas directas utilizando el código ANSYS Fluent empleando flujos uniformes y no uniformes en el rango de números de Reynolds intermedio. Para las partículas no esféricas de forma regular se desarrolló un estudio detallado de los centros de presión para cuatro relaciones de aspecto. Mientras que, un novedoso sistema de construcción de partículas no esféricas irregulares permitió la determinación de los coeficientes aerodinámicos de flujo para cuatro clases diferentes de esfericidad. Por último, se desarrollaron correlaciones para determinar los coeficientes aerodinámicos de flujo en partículas no esféricas regulares e irregulares las cuales fueron implementadas en un código propio para el estudio de las propiedades integrales de transporte de un flujo turbulento bifásico en un canal.

Two-phase turbulent flows are frequently encountered in a wide variety of technical and industrial processes, including: pneumatic conveying, paper production, particle separation in cyclones, coal and biomass combustion, etc. To establish the optimum operating point for these applications, it is essential to predict the behavior of the dispersed phase. It is common that in these processes the particles adopt a great variety of shapes and sizes. However, due to its simplicity, in the past the modeling was done under the assumption of perfectly spherical particles. There are several studies in the literature on the behavior of this class of particles both in and outside the Stokes regime. However, in practice this assumption becomes inconvenient, especially if particles are elongated, flattened or come from grinding and crushing processes. This deviation from spherical behavior requires that the combined effects of shape and orientation be taken into account in the study of their dynamics in nonspherical particles. Therefore, in order to properly characterize the behavior of the non-spherical particles, an accurate estimation of the aerodynamic forces and torques acting on their surface was developed in the present work. For this purpose, direct numerical simulations were performed using the ANSYS Fluent code employing uniform and non-uniform flows in the intermediate Reynolds number range. For non-spherical particles of regular shape, a detailed study of the pressure centers was developed for four aspect ratios. Whereas, a novel construction system for irregular nonspherical particles allowed the determination of aerodynamic flow coefficients for four different classes of sphericity. Finally, correlations for determining the aerodynamic flow coefficients in regular and irregular non-spherical particles were developed and implemented in a in house code for the study of the integral transport properties of a two-phase turbulent flow in a channel