Un algoritmo consistente para la simulación de flujos multifásicos, y su aplicación a lechos fluidos

Resumen

El trabajo de investigación presentado en esta Tesis es el desarrollo y validación de una metodología completa para la descripción euleriana del flujo multifásico gas-sólido reactivo en lechos fluidos; el modelo permite tratar un número arbitrario de fases sólidas cuyo tamaño puede evolucionar con el tiempo. La implementación del modelo ha requerido para una resolución precisa y consistente del flujo multifásico el desarrollo de nuevas técnicas numéricas y de nueva algoritmia. El algoritmo numérico desarrollado en esta Tesis se ha implementado utilizando librerías de software libre. Las leyes de conservación que rigen el flujo gas-sólidos se resuelven utilizando la plataforma de Fluidodinámica Computacional OpenFOAM y el tratamiento de los sistemas químicos de reacción homogénea se realiza mediante la suite Cantera. El método de resolución desarrollado en esta Tesis se basa en el método conocido como IPSA (Inter-Phase Slip Algorithm) propuesto originalmente para mallas decaladas por Spalding. El algoritmo para la resolución de las ecuaciones de conservación se ha implementado utilizando como base OpenFOAM, que utiliza mallas colocalizadas. En esta Tesis, para la adaptación del método a este tipo de mallas, se ha propuesto una extensión consistente de la técnica de Interpolación del Momento (CMIm) para la discretización de las ecuaciones eulerianas-eulerianas que gobiernan los flujos multifásicos transitorios. El nuevo procedimiento evita algunas de las deficiencias presentes en la formulación estándar usada habitualmente, que es una simple extensión del algoritmo para flujo monofásico. Se ha comparado el comportamiento de ambas técnicas en un caso de prueba: el transporte neumático tras un codo en ángulo recto. Los resultados revelan que CIPSA, el algoritmo consistente y conservativo propuesto, impide la aparición de oscilaciones espaciales espurias en el campo de presión, y evita que la solución de flujos estacionarios dependa del tamaño del paso temporal utilizado en su resolución transitoria. El modelo fluidodinámico (sin reacción química) desarrollado se ha validado mediante la simulación de un lecho fluido burbujeante formado por partículas de tipo Geldart D. Las predicciones del código presentan una buena concordancia con los datos experimentales disponibles. Los resultados obtenidos muestran la capacidad del método propuesto para reproducir el complejo régimen de burbujeo/slugging que se produce. El estudio del comportamiento del modelo completo para flujo multifásico y reactivo se ha llevado a cabo mediante la simulación de un gasificador de carbón en lecho fluido burbujeante. Los resultados de las simulaciones obtenidas se han comparado con los de otras simulaciones disponibles en la literatura. La concentración de las especies químicas a su salida obtenidos en la simulación muestran un buen grado de acuerdo con los resultados experimentales. En la simulación del gasificador, el carbón y la caliza se modelan como fases separadas, lo que ha permitido predecir su segregación en el lecho, y cuantificarla en distintas condiciones. Además el modelo desarrollado ha permitido evaluar el efecto de la polidispersión del tamaño de la partícula reactiva de carbón en el gasificador. Se han observado diferencias significativas en la altura del lecho, en la segregación entre las fases y en la distribución de las zonas de reacción. En conclusión el modelo presentado en esta Tesis es el más completo, de su tipo, que se ha encontrado en la bibliografía. El algoritmo consistente, implementado usando herramientas de software libre, permite por su diseño modular el acoplar fácilmente nuevos modelos (o adaptar los existentes) para tratar otros tipos de material inerte o reactivo, y su aplicación a la simulación numérica de otras tecnologías de flujo multifásico.