Jets de gas simples y gemelos, subexpandidos y sumergidos en líquido, utilizando simulaciones CFD Urans

Abstract

La inyección sumergida es un proceso donde un flujo de gas penetra un medio líquido, generando distintos patrones, dependiendo de las características tales como tipo de gas (aire, vapor), velocidad, presión y temperatura. Este proceso se ha estudiado durante unos 50 años mediante trabajos teóricos, experimentos y simulaciones numéricas. Las aplicaciones típicas se encuentran en diferentes sectores industriales: procesos metalúrgicos, centrales nucleares y propulsión de vehículos.

La bibliografía revisada sobre inyección sumergida está relacionada principalmente con el tipo simple, abarcando los regímenes de burbujeo hasta jet. Los jets gemelos subexpandidos se han estudiado principalmente para flujos monofásicos compresibles (e.g., aire-aire), donde se presta especial atención a la generación de sonido de estos. A pesar de todos los avances en la investigación sobre inyección sumergida, hasta la fecha de este documento, el autor no ha encontrado análisis, experimentales o numéricos, centrados en la inyección sumergida de jets gemelos. Por esto, es de gran interés y motivación contribuir a los estudios de jets degas inyectados en líquidos, con el objetivo principal de entregar el análisis de las interacciones y características de jets gemelos sumergidos y subexpandidos.

Esta tesis aborda el análisis y las características de los jets de aire sumergidos y subexpandidos inyectados en agua por medio de toberas (tubos rectos) simples y gemelas. Primero, se compara la simulación de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) de una tobera simple con los datos experimentales disponibles en la literatura. Al utilizar toberas gemelas, se varía el espaciado y se compara el flujo resultante con el obtenido con la configuración de una sola tobera, bajo condiciones experimentales similares. Cuando dos toberas gemelas están cera, y en comparación con una sola tobera que inyecta el mismo flujo másico, se encuentra un aumento en la longitud del núcleo de cada chorro, generando uno combinado, y con un aumento en los niveles de mezcla. Con una mayor separación de toberas, se encuentran núcleos individuales de menor extensión y un incremento significativo de niveles de mezcla. Con esta información, se presenta una guía general de selección de toberas para ayudar al diseño de procesos de inyección de gas en un líquido.