Ascenso de burbujas de Taylor en mini-conductos verticales de sección no-circular: estudio numérico

Abstract

Este trabajo presenta un estudio numérico del ascenso de burbujas de Taylor en mini-conductos verticales de sección transversal en forma de triángulo equilátero, cuadrado, astroide y pseudoastroide, para flujo bifásico segregado aire-agua. El modelo matemático resuelto corresponde a un modelo Euleriano-Euleriano, heterogéneo y de superficie libre, que incluye la ecuación de movimiento y la ecuación de continuidad para ambas fases, y la ecuación de conservación de fracción volumétrica para la interfase. La fuerza de tensión superficial se modeló empleando el modelo de fuerza continua en la interfase, mientras la transferencia de momentum a través de la interfase se modeló a partir de la fuerza de arrastre de la fase líquida sobre la fase gaseosa. La solución numérica al modelo planteado se obtuvo mediante el método de volúmenes finitos basados en elementos (EbFVM), implementado en el software ANSYS® CFX®-10.0. Se estudiaron secciones de 1.0 y 1.5 mm de diámetro hidráulico y los casos de conductos de sección triangular y de sección cuadrada se compararon con estudios experimentales, obteniéndose velocidades de flujo de las burbujas superiores a las reportadas en la literatura, sin embargo la tendencia de aumentar con el diámetro hidráulico del conducto y de ser mayor en conductos de sección triangular que de sección cuadrada, coincidió con la data experimental. La mayor velocidad de flujo se obtuvo en conductos de sección pseudoastroidal, seguidos por los de sección triangular, mientras que la del cuadrado fue mayor a la del astroide en conductos de 1.0 mm de diámetro hidráulico. Las burbujas de mayor velocidad de flujo tienden a ocupar menos porcentaje de la sección transversal del conducto y a tener meniscos menos planos. Para todos los casos estudiados, el campo de velocidad del líquido alrededor de la burbuja se caracteriza por una zona de recirculación corriente abajo de la cola de la misma, y por presentar la mayor magnitud hacia la zona de la esquina. La mayor diferencia de presión entre la nariz y la cola de la burbuja, se encontró en aquellos conductos donde la velocidad de flujo fue menor. El esfuerzo cortante en la esquina del conducto se distribuye similarmente en todas las geometrías, y la distancia desde la burbuja a la cual no se ve afectado por el movimiento de ésta, es independiente del diámetro hidráulico del conducto.