Sobre la influencia del coflujo y de la diferencia de densidad en la estructura 3d de chorros con giros y su relevancia en los procesos de combustión

Resumen

Flujos con giro. Rotura de vórtices. Estudio experimental de flujos con giros reactivos y no reactivos. El presente trabajo constituye una contribución al estudio fluidodinámico de un chorro de gas con giro que descarga a través de una expansión brusca en un ambiente en fase gaseosa que puede existir distinta densidad y la posibilidad de movimiento coaxial con el chorro, así como la de reaccionar químicamente en él (combustión). Este estudio se realiza desde un punto de vista teórico, numérico y experimental. En una primera aproximación, se modela la evolución axial mediante la simulación numérica de las ecuaciones parabólicas de un flujo no reactivo, partiendo inicialmente de una solución de semejanza válida a la salida del chorro con giro que descarga en una expansión brusca y con una velocidad axial uniforme, así como la introducción de un flujo coaxial (coflujo). Esta simulación se realiza mediante un código implementado en el programa informático Matlab(c). En la simulación de la descarga de un gas en un ambiente con una distancia radial infinita, se ha obtenido un radio truncado a partir del cual las soluciones prácticamente no varían. Por otro lado, se analiza numéricamente el flujo viscoso resolviendo tanto las ecuaciones axilsimétricas como tridimensionales. Para ello se ha utilizado el programa informático Fluent(c) del paquete Ansys(c), el cual resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes mediante volúmenes finitos. En este caso se ha realizado el modelo del experimento real realizado en el laboratorio, cuya relación de aspecto es 1:16. Finalmente, desde el punto de vista experimental, mediante el montaje de un quemador que se ha realizado en el laboratorio y donde se ha ensayado con una descarga de aire en aire (sin reacción química) y de combustible (metano o propano) en aire (con reacción química). Este montaje experimental permite la posibilidad de una variación independiente del caudal y del giro en el conducto, así como la velocidad del coflujo axial. Se tratará así de profundizar en la posible relación experimental entre el fenómeno de la rotura de vórtices, con la variación de estos tres parámetros, principalmente para flujos no reactivos. Para la obtención de los resultados se han realizado tanto medidas cualitativas, por medio de visualizaciones, como medidas cuantitativas, con las técnicas LDA (Laser Doppler Anemometry, o Anemometría Láser Doppler) y PIV (Particle Image Velocimetry, o Velocimetría por imágenes de Partículas) Los resultados obtenidos de la experimentación de los flujos no reactivos se han comparado satisfactoriamente con las simulaciones numéricas.