Simulación computacional de flujos multifasicos densos en la industria de procesos

Abstract

Este proyecto permite fortalecer las actividades llevadas a cabo en el área de la investigación aplicada, en particular aquella orientada a la simulación de flujos multifásicos densos originados en los procesos industriales de transporte y separación de fluidos. La mayor parte de las tecnologías usadas en procesos en las industrias químicas y mineras deben tratar con flujos multifásicos, como en el caso del flujo de lodos de perforación, del flujo con cavitación en una bomba, del transporte de fluidos con sedimentos en tuberías o canales abiertos, del flujo de petróleo mezclado con agua y gas desde una perforación, entre otros muchos ejemplos. En dinámica de fluidos el caso más simple de flujo multifásico es el bifásico, donde dos materiales con diferentes fases están presentes en el flujo. Incluso el más simple es el flujo bifásico formado por el mismo material con dos fases diferentes, como ocurre por ejemplo con el agua líquida (fase transportadora o carrier) mezclada con burbujas de vapor de agua (partícula transportada) en el caso de la bomba que cavita. Así en general el nombre flujo multifásico se refiere al movimiento de un fluido (líquido o gas) transportando otras fases que pueden ser gaseosas, líquidas o sólidas. Las posibilidades de flujos multifásicos son enormes, y la formulación de cada uno depende del régimen. Por régimen de flujo multifásico se entiende una categoría donde son posibles determinadas simplificaciones de la formulación matemática en función, por ejemplo, de las escalas de tiempo de respuesta de las transferencias entre fases, de las escalas de tamaño de las partículas transportadas, de la dilución o concentración de las partículas, entre otras muchas características. Por ejemplo en un flujo multifásico de partículas dispersas diluidas el efecto partícula-partícula no sería dominante en el intercambio de cantidad de movimiento ni de calor de las partículas y puede por tanto ser despreciado. En ese caso solo se toma en cuenta el efecto del fluido sobre las partículas, permitiendo simplificar la formulación del problema (one-way coupling). Pero si, por el contrario, el efecto partícula-partícula (two-, three- or four-way coupling) es dominante porque elnúmero de partículas es alto, el flujo ahora requiere una formulación que lleve en cuenta las transferencias entre partículas, además de los efectos que las partículas ejercen sobre el medio continuo y este último sobre las partículas. Estos son ejemplos extremos de flujos multifásicos, caracterizados como regímenes diferentes para simplificar su modelación. Determinar el régimen de un flujo multifásico es importante porque ayuda a definir las ecuaciones que gobiernan el mismo. Quizá en un tiempo futuro será posible, con el advenimiento de mayores avances en las capacidades de cómputo, aplicar las leyes de conservación de cantidad de movimiento, masa y energía, para cada una de las fases intervinientes en el flujo, calculando las superficies de las interfases de cada una con precisión y así las transferencias entre las mismas. Esto permitirá conocer cada detalle del flujo multifásico. En el presente, sin embargo, esto no es posible fuera de casos muy simplificados. En consecuencia, para obtener la interacción del flujo con las partículas y entre partículas, es necesario usar modelos con algún nivel de simplificación que a la vez sean realísticos. Pueden ser modelos que consideren una de las fases como un continuo y a la otra como partículas ó grupos de partículas, de las cuales se calculan sus trayectorias, denominados modelos Eulerianos-Lagrangianos; ó modelos basados en dos fluidos considerando a las dos fases como medios continuos (modelo Euleriano-Euleriano). En ambos casos en esos modelos se aplican las leyes de conservación en forma simplificada en cada fase, calculando los intercambios de cantidad de movimiento, masa y energía entre las fases, a los efectos de resolver las características generales del flujo. El presente proyecto abordará el desarrollo de simulaciones de flujo multifásico usando técnicas computacionales a dos niveles: Simulación Numérica Directa (DNS) y uso de software apropiado para geometrías complejas aplicables a la simulación de flujo multifásico de interés tecnológico. Para ello se utilizarán modelos de turbulencia tipo LES (Large Eddy Simulation) y tipo RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Se estudiarán los patrones de flujo multifásico, en especial, aquellos consistentes de dos fases (flujos bifásicos) y se aplicarán en la resolución de patrones de flujo en cañerías y flujo en equipos de separación de fases como los separadores multifásicos por gravedad y los hidrociclones separadores de partículas. Los resultados obtenidos permitirán la elección de la estrategia de simulación más conveniente para cada caso particular, además de abrir la posibilidad de proponer mejoras tanto en los métodos de simulación como en el diseño de los equipos industriales.