Interacción del flujo principal y vórtice en nicho

De acuerdo al primer modelo las líneas de flujo en el nicho son vistas a ¼, ½ y ¾ del ancho del ducto, se utilizó para ello vistas superiores y laterales, con el fin de determinar el vórtice generado en estas secciones. Esta sección se llevo a cabo con el fin de obtener una relación entre el vórtice y la capa de mezclado.

143 Figura 92. Vistas superior y lateral de ¼ , ½ y ¾ de un ducto y nicho con relación de alturas

40mm/160mm (1/4).

Los vórtices en las vistas superiores de las tres secciones no son simétricos. Los vórtices que se generan en el nicho son tridimensionales. En cada sección el vórtice hace contacto con las las paredes posterior, inferior y anterior del nicho con la formación de capas límites en cada superficie. El volumen del vórtice es mayor al volumen del nicho en la parte superior.

El volumen que el vórtice ocupa en el canal principal se denomina como capa de mezclado. En este modelo la capa de mezclado ocupa 10% de la altura del ducto. Por esta sección existe una transferencia de masa entre el flujo principal del ducto y el vórtice en el nicho.

En la figura 93 se observa el vórtice tridimensional fuerte generado en el nicho.

Figura 93. Vista isométrica del plano longitudinal central de un ducto y nicho con relación de alturas 40mm/160mm (1/4).

144

A continuación se presenta diferentes vistas del flujo en el modelo con relación de alturas de 1/1. En la figura 94 se observa un vórtice tridimensional con un espesor y poder inferior al obtenido en el modelo anterior. La capa de mezclado estimada por la relación de alturas es de 5%

Figura 94. Vistas superior y lateral de ¼ , ½ y ¾ del modelo de un ducto y nicho con relación de alturas 100mm/100mm (1/1).

En la figura 95 se presenta una vista isométrica del modelo 1/1 en su sección central longitudinal.

145 Figura 95. Vista isométrica del plano longitudinal central en el modelo de un ducto y nicho con

relación de alturas 100mm/100mm (1/1).

La vista isométrica muestra nuevamente el vórtice, donde al compararlo con la figura del modelo 1/4 tiene una menor participación en el flujo principal. Esta situación no afecta al flujo dentro del ducto y el proceso de mezclado es deficiente.

Aún cuando al mostrar las variaciones entre las alturas estas tendrán una relación directa con el espesor de la capa de mezclado y el perfil de velocidades del flujo principal, la relación de alturas no será la única para tomar en cuenta.

146 Figura 96. Vistas superior y lateral de ¼ , ½ y ¾ del modelo de un ducto y nicho con relación de

alturas 150mm/50mm (3/1).

La relación de alturas 3/1 es la situación que se investiga en el proceso de mezclado en el modelo del quemador real. La figura 96 muestra la interacción del flujo principal y vórtice en el nicho en el modelo con relación 3/1. El vórtice en el nicho es tridimensional pero con el componente en el eje Z mínimo. Este vórtice tiene un bajo poder y un efecto despreciable al flujo principal. El espesor de la capa de mezclado es menor al 3%.

Figura 97 Vista isométrica del plano longitudinal central del modelo de un ducto y nicho con relación de alturas 150mm/50mm (3/1).

En la figura 97 podemos observar la vista isométrica del ducto con relaciones 3/1. En el plano central longitudinal hay poca participación del nicho en el intercambio de masa con flujo principal.

147 Figura 98. Vista lateral en el eje central longitudinal del modelo de un ducto y nicho con relación de

alturas 60mm/140mm (1/4).

Con ayuda de las figuras 98 y 99 se estimo por medio de vectores de velocidad, contornos y líneas de flujo, el porcentaje que la capa de mezclado tiene con respecto a la altura del ducto. Los vectores de color amarillo cambian su dirección, algunos hacia la cavidad y otros hacia la pared inferior del ducto, estos posteriormente cambian su dirección debido a la dirección de flujo principal.

Figura 99. Vista isométrica del modelo de un ducto y nicho con relación de alturas 40mm/160mm (1/4) en 5 planos horizontales con paso de 1 mm, 2 mm. por encima, 1 mm. en la superficie inferior

148

En la figura 99 se observa 5 cortes paralelos en el la superficie XZ (2 mm por encima del piso del ducto y 2 mm dentro del nicho). Dentro del nicho, el modelo presenta una mayor interacción con las paredes de la cavidad que en el modelo de relación 1/1 y 1/4. Tiene un espesor en la capa de mezclado aproximada del 10% con respecto a la altura del ducto.

A continuación se mostrará por medio de vectores de velocidad y líneas de flujo el comportamiento del flujo cerca de la capa de mezclado (área localizada por encima de la superficie inferior del ducto y el nicho) en el modelo con relación de alturas 100mm/100mm (1/1).

Figura 100. Vista lateral en el eje central longitudinal del modelo con relación de altura 100mm/100mm (1/1).

Las figuras 100 y 101 del modelo nos permite conocer acerca del vórtice generado en el nicho, las condiciones para obtener estas imágenes fueron las mismas consideradas que en el modelo con relación 1/4, de 2mm por encima del la pared inferior, la pared inferior del ducto y 2mm por debajo de la pared inferior del ducto, (dentro del nicho). De acuerdo a la relación de alturas, se

149

calculo por medio del modelo computacional una participación de 5% en la capa de mezclado.

La velocidad de entrada fue de 16 m/s y el perfil de velocidades cambia y se observa un desplazamiento de la capa de mezclado delante del nicho (zona en color amarillo) para posteriormente empezar nuevamente la formación de la capa límite. Las líneas del flujo presentadas en la siguiente figura muestran que el vórtice de estas líneas de flujo también se comienza la formación de la capa límite, sin embargo debido al volumen de este con respecto al modelo 40mm/160mm (1/4) no se consigue una mayor participación de la cavidad en el mezclado.

Figura 101. Vista lateral y frontal a 1/3, ½ y 2/3 del modelo de ducto y nicho con relación de alturas (40/160) en a-d, e) vista lateral con líneas de flujo en capa de mezclado f) líneas de flujo en vista

isométrica del plano longitudinal central.

En la siguiente figura se presentan los vectores de velocidad del modelo con relación de alturas es 150mm/50mm (3/1), la capa de mezclado tiene una mínima participación, la cual fue estimada en 3% y el vórtice como se observa en las figuras es casi bidimensional.

150 Figura 102. Vista lateral a ½ de la distancia y del modelo ducto y nicho con relación de alturas

(150/50).

En la siguiente figura se presentan las líneas de flujo en el modelo con relación de alturas 150mm/50mm (3/1), la formación de la capa límite en las paredes de la cavidad es mínima y de acuerdo a las dimensiones de la cavidad con respecto a la altura de la sección de aire. Este modelo es similar a las condiciones del quemador lo que significa que el trabajo de la cavidad no es óptima. Al disminuir la velocidad de entrada la participación de este nicho aumenta.

151

Las figuras anteriores demuestran que al disminuir las dimensiones relativas del nicho, la influencia del vórtice en nichos al flujo principal también disminuye.

El estudio de la relación de alturas entre el ducto y el nicho para el modelo del quemador real con una relación de alturas de 3/1 nos indica que la influencia del vórtice en el nicho a los procesos en el flujo principal es mínima. Por lo tanto la modificación de esta relación ayudará a que el vórtice que se forma en el nicho tenga una mayor participación en el proceso de mezclado en el flujo principal. A continuación se presentan las conclusiones de este trabajo.

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CONCLUSIONES

• Esta aprobada la metodología del cálculo de los modelos del proceso de mezclado con la ayuda del programa Fluent.

• Se muestra que un chorro no puede modelar el proceso de mezclado que está en un sistema de distribución de chorros.

• Para la modelación del proceso de mezclado en un sistema de distribución de chorros es necesario como mínimo 5 chorros donde el chorro central puede modelar un chorro promedio en un sistema de distribución.

• La investigación del proceso de mezclado en el modelo del quemador completo no es posible debido a una contradicción:

1. Para la investigación detallada de las particularidades del proceso de mezclado es necesario el uso de una malla fina, la cual debe ser menor al 1% de las dimensiones del canal y más fina en algunas zonas (capa límite, alrededor de los chorros, etc.)

2. La posibilidad del uso de las computadoras personales actuales se encuentra limitada por las características como son: memoria, procesador y tarjeta de video principalmente. Este límite se puede cuantificar en el número de micro volúmenes del volumen del modelo que debe ser como máximo de 250,000 nodos.

• La investigación del proceso de mezclado en un modelo del quemador constituido por 5 chorros y un nicho con relación 1/1 muestra que la participación del nicho en el proceso de mezclado se puede intensificar considerablemente en comparación con el prototipo del quemador real. • La investigación del proceso de mezclado en todos los modelos, muestra

que alrededor del chorro del metano en el flujo transversal del aire se forma una capa de mezclado con una relación estequiométrica de aire y metano. Esta mezcla se forma al mismo tiempo después de que el chorro sale al flujo transversal en las fronteras de la capa límite.

• La investigación de la distancia de mezclado muestra que esta depende del diámetro del chorro e incrementa directamente al aumentar el diámetro del chorro, desde (35-37)*Dchorro con un Dchorro= 1 mm. hasta (90-93)*Dchorro

con un Dchorro= 3 mm.

• La profundidad de los chorros en el flujo transversal se investigo para tres diferentes diámetros de chorros (1, 2 y 3 mm). La comparación de los cálculos por ecuaciones de [33] con los resultados del cálculo computacional presentan diferencias del orden de 15%. Los cálculos computacionales presenta valores menores de la profundidad de los chorros en el flujo

154 transversal. Esta diferencia es posible explicar debido a que las consideraciones en [33] fueron desarrolladas para un flujo transversal libre. El cálculo computacional tuvo como condiciones un flujo transversal dentro de un canal limitado por las paredes.

• Investigaciones de las particularidades del flujo en la capa límite alrededor del cuerpo del chorro, muestran que el flujo es complicado. Se forman vórtices antes del cuerpo en su cara frontal y alrededor del chorro en la capa límite. Estos vórtices interactúan con el chorro y participan en el proceso de mezclado.

• Investigaciones de las particularidades del flujo en la región del nicho rectangular, muestran que la participación del nicho en la formación de vórtices tridimensionales dependen de las relaciones de la altura del canal y la profundidad del nicho.

• Con relación a la altura del canal y nicho de 150mm/50mm (3/1), en el nicho se forma un vórtice con una mínima intensificación en comparación de los casos investigados. Esta relación es usada en el quemador investigado. • Con relación a la altura del canal y nicho de 100mm/100mm (1/1) en el

nicho se forma un vórtice tridimensional fuerte que interactúa con el flujo principal en el canal por la capa de mezclado. Al comprobarse por los datos de investigaciones del proceso de mezclado con una relación igual en alturas del ducto y nicho (1/1) se obtuvieron los mismos resultados.

• Los resultados de esta investigación nos da la posibilidad de concluir que el perfil del quemador real investigado no es el óptimo y que puede ser mejorado.

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