ESTUDIO NUMÉRICO DEL ASCENSO DE BURBUJAS DE TAYLOR EN MINI-CONDUCTOS VERTICALES DE SECCIÓN NO-CIRCULAR: PARTE I / Numerical Study of Taylor Bubble Rising in a Vertical Noncircular Mini Channel: Part I

Resumen

Este trabajo presenta un estudio numérico del ascenso de burbujas de Taylor en mini-conductos verticales de seccióntransversal en forma de triángulo equilátero y cuadrado, para flujo bifásico segregado aire-agua. El modelo matemáticoresuelto corresponde a un modelo Euleriano-Euleriano, heterogéneo y con superficie libre, que incluye la ecuación decontinuidad y la ecuación de momentum para ambas fases y para la interfase, y la ecuación de conservación de fracciónvolumétrica para la interfase. La fuerza de tensión superficial se modeló empleando el método de fuerza continua en lainterfase (CFS). La solución numérica al modelo planteado se obtuvo mediante el método de volúmenes finitos basados enelementos (EbFVM), implementado en el software ANSYS® CFX™-10.0. Los resultados se compararon con estudiosexperimentales, obteniéndose para la velocidad terminal de la burbuja una tendencia de aumentar con el diámetro hidráulicodel conducto y de ser mayor en conductos de sección triangular que de sección cuadrada, coincidiendo cualitativamentecon la data experimental. De igual manera se encontró que las burbujas con mayor velocidad terminal tienden a ocuparmenos porcentaje de la sección transversal del conducto y a tener meniscos menos planos, comportamiento observadoexperimentalmente, por lo que el modelo empleado describe adecuadamente al fenómeno físico aquí estudiado.

ABSTRACT

We present a numerical study for Taylor bubbles rising in a vertical non-circular mini channel filled with stagnant liquid.Triangular and square cross-sections were considered for this study. A Eulerian-Eulerian heterogeneous model for freesurface flow was solved by the elements based finite volume method (EbFVM) implemented in commercial softwareANSYS® CFX-10.0™. The mathematical model takes into account the effects of surface tension and viscous force. The firstbehavior was modeled by the Continuous Surface Model (CSF), and the second by solving the conservation equations ofboth the mass and the momentum of each phase and interphase, coupled with the conservation equation of the volumefraction at the interphase. The bubble drift velocity and the interfacial profiles were compared with published experimentaldata and good agreement has been obtained. As a result, the model has been validated for the study of this kind of twophaseflow.Keywords: Taylor bubbles, Drift velocity, Mini channels, Two-phase flow, Computational fluid dynamics (CFD), Elementsbased finite volume method (EbFVM).