Ingeniero Civil / El presente trabajo de título es un estudio experimental acerca del fenómeno de la resuspensión viscosa de partículas bajo la acción de un flujo laminar inducido por un gradiente de presiones dentro de un conducto cerrado. Este fenómeno está presente en ciertas instalaciones industriales tales como sedimentadores de flujo inclinado o equipamiento de microfiltración. El objetivo principal del trabajo es verificar cómo se comportan algunos modelos físicos propuestos por otros autores para un flujo de Poiseuille, y proponer eventuales mejoras. Los experimentos se realizaron en un conducto cerrado, de paredes transparentes, con área transversal cuadrada, el cual se encontraba dentro de una cámara oscura y fue llenado con una mezcla de glicerina con agua y partículas esféricas de boyancia negativa a distintas concentraciones. Mediante la instalación de una cámara de alta velocidad normal a las paredes verticales e iluminación adecuada, fue posible medir un plano de intensidades de luz una vez que el fenómeno se encontrara en régimen permanente, a partir del cual se obtuvieron perfiles de concentraciones y alturas de resuspensión para distintas condiciones de alturas iniciales sedimentadas. Se realizaron experiencias para concentraciones en volumen entre 5% al 30% para lechos monodispersos y ligeramente bidispersos (d_max/d_min=1.4) y para caudales de mezclas glicerina-agua entre 3,2 y 10,8 ml/s. Al comparar los resultados experimentales de alturas de resuspensión viscosas con los teóricos, obtenidos con el modelo de Leighton y Acrivos (1986) y el modelo de Shauly et al. (2000) se determinó que el primero se ajustaba bien a los resultados empíricos para el caudal alto y razonablemente bien para el caudal bajo. Sin embargo, el comportamiento general puede considerarse aceptable si se considera que el modelo de Leighton y Acrivos no contiene parámetros ajustables. Por su parte el modelo de Shauly et al. no se ajustaba bien a los datos experimentales, pero contiene una constante empírica K, la cual originalmente fue calibrada para flujos de Couette en geometrías anulares. Mediante un análisis dimensional y posterior calibración con los datos de la presente memoria, se obtuvo una relación entre el coeficiente K, la concentración en volumen de partículas ϕ_s y el número de Shields modificado, Ψ, que representa la relación entre fuerzas viscosas y gravitatorias sobre las partículas. Con el coeficiente K, expresado en función del flujo se obtuvieron buenos ajustes teórico-experimentales para el modelo de Shauly et al., inclusive mejor que para el modelo de Leighton y Acrivos. En cuanto a los perfiles de concentración, los resultados basados en ambos modelos presentan diferencias apreciables al compararlos con los resultados experimentales. Las alturas de la interfaz del material resuspendido obtenidas a partir de perfiles de velocidad predichos por los modelos de Leighton y Acrivos y Shauly et al. concuerdan con las medidas en los experimentos de esta memoria, así como los perfiles de velocidad obtenidos experimentalmente por Schaflinger et al. (1995) en una geometría similar.

Ingeniero Civil Mecánico / El flujo de burbujas es uno de los tantos ejemplos de los denominados flujos bifásicos, éstos pueden ser encontrados en un gran número de industrias y es simplemente la presencia de más de dos fases en una misma línea de flujo. En particular el flujo de burbujas es usado en el proceso de flotación, este tiene por objetivo la separación de especies minerales mediante la adhesión selectiva de partículas minerales a burbujas de aire, este trabajo pretende empezar con el estudio de este tipo de flujos con la motivación final en las celdas de flotación. El objetivo general del trabajo es utilizar un método numérico para modelar un flujo de burbujas mediante CFD (Computational Fluid Dynamics). El método debe ser aplicado al flujo generado por una corriente de aire impulsada en un estanque con agua, como objetivos específicos debe lograr predecir la forma de la burbuja, el tamaño, la velocidad, trayectoria y la existencia o no de coalescencia, utilizando el método numérico. En la primera parte de este trabajo se realiza una comparación entre modelos teóricos para el volumen, velocidad y trayectoria de la burbuja, con resultados experimentales de algunas bibliografías consultadas, el afán de esto es poder validar un set de modelos teóricos que permitan luego realizar una comparativa con la simulación hecha. Los modelos teóricos encontrados relacionan la forma con diferentes números adimensionales (Eo, Re y M), existe un modelo para el volumen de una burbuja generada a flujo constante, la cual toma en consideración la formación de burbuja en 2 etapas (expansión y desprendimiento) usando como supuesto el radio de la burbuja en la etapa de expansión igual al largo del cuello formado en la etapa de desprendimiento, para la velocidad las múltiples expresiones que existen se relacionan con el diámetro equivalente de la burbuja. Y para la trayectoria, existen variados criterios que difieren unos con otros para determinar una trayectoria recta, zigzag o espiral. El trabajo se centra en un estanque cilíndrico con agua, por el cual se ingresará aire a través de un orificio en su parte inferior, generando así el flujo de burbujas que se desea modelar, el tamaño del orificio y el caudal de aire son variables que se consideran en el estudio preliminar para luego ser determinados según los resultados obtenidos. La simulación realizada, en un entorno 3D, arrojó generación de burbujas con un volumen muy cercano al esperado según los modelos teóricos, frecuencia de formación de burbujas altas, velocidad ascendente de la burbuja por sobre lo esperado, la forma corresponde con la caracterización según los números adimensionales, se observan trayectorias que se pueden clasificar dentro de espirales, además se tiene que el campo de velocidades influye bastante en los distintos resultados obtenidos.

Los niveles de contaminación atmosférica que se han alcanzado y los peligros que esto conlleva en la salud al respirarla han hecho que se incrementen los esfuerzos en investigación acerca de la depuración del aire. Así es como se han desarrollado varios equipos que intentan separar los elementos contaminantes del aire respirable a través de procesos de tipo químico y físico. Uno de estos procesos físicos corresponde a los flujos bifásicos, donde en un reactor se inyecta aire, el cual atraviesa un líquido formando burbujas. El aire inyectado posee cierto porcentaje de partículas sólidas. No se tiene mucha información acerca de este tipo de equipos, ya que lo que más se conoce es el proceso inverso a éste, donde el flujo de gas es rociado con un líquido en forma de pequeñas gotas, capturando y deteniendo las partículas sólidas. Este trabajo de título tiene por objetivo estudiar la factibilidad del principio de retener partículas suspendidas en un flujo de aire, a través de la inyección de este flujo en un líquido reactivo. Además, reproducir la reacción principal de este reactor por medio de una simulación computacional para observar la eficacia de este método en la limpieza de aire. En este sentido los programas de simulación computacional cumplen un rol fundamental en el ahorro temporal y económico. La metodología fue la siguiente. Primero se investigó acerca de equipos existentes similares, para determinar los parámetros de diseño de éste. Con la información anterior, se construyó la geometría del reactor directamente en el software FLUENT. Luego se impusieron las condiciones del fenómeno, cargas, velocidades y dimensiones. Los resultados de la simulación arrojan que la mezcla de las fases es factible, produciéndose a partir de un tiempo de 1 [s], y el material particulado puede ser retenido en el líquido, logrando un rendimiento de un 99%. También, que el programa caracteriza muy bien el régimen de burbujas. Finalmente se concluye que sin la presencia de aditivos la mezcla no se producirá espontáneamente, pero movimientos caóticos del sistema propician la captura del material particulado en el líquido. Además, se recomienda la construcción de un prototipo para la obtención de datos experimentales y posterior validación de los resultados.

En años recientes se han realizado esfuerzos para incrementar la compresión de los fenómenos asociados al flujo bifásico líquido - gas, para lo cual se han establecido modelos matemáticos que intentan reflejar el comprotamiento del flujo, como es el caso del modelo de los Dos Fluídos. Una causa de la complejidad que representa el modelado es la transferencia de masa, momento y energía entre fases debida a la interacción entre fases. Actualmente los modelos de cálculo empleados en CFD y en códigos termohidraúlicos confían en correlaciones experimentales altamente dependientes del régimen de flujo para determinar el área interfacial, sin embargo este procedimiento no refleja la naturaleza física y se presentan irregularidades en la zona de la interfase debidas a fenómenos de transporte no descritos por estos modelos. En este sentido se ha propuesto recientemente una teoría de transporte de area interfacial que parece ser una solución viable al problema de la obtención de ecuaciones constitutivas del area interfacial y con ella, el cierre del modelo. Esta ecuación consta de términos convectivos y temporales que pueden ser resueltos analíticamente, por otro lado contiene términos fuente y sumidero que representan la creación y destrucción de burbujas que aún no han sido completamente modelados; para la comprension de dichos términos es requerida información experimental, misma que este trabajo intenta generar mediante la obtención de una base de datos experimentales que aporten información útil para el modelado de sistemas bifásicos. Para la obtención de la base de datos fue necesario diseñar, construir e instrumentar una instalación experimental que permitiera la formación de flujos bifásicos agua-aire con velocidades superficiales de fase líquida y gas similares a las existentes en los actuales reactores nucleares. El sistema de formación de mezcla bifásica que se diseñó y construyó permite la obtención de varios regímenes de flujo, en su funcionamiento emplea medio / Méndez Díaz, S. (2008). Medida experimental de la concentración de área interfacial en flujos bifásicos finalmente dispersos y en transición [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3301

La vibración inducida por flujo bifásico (2-FIV) en tuberías es un fenómeno frecuente en industrias como la nuclear e hidrocarburos. Para el caso de flujo bifásico gaslíquido, estudios muestran una fuerte influencia de la velocidad de la mezcla y fracción de vacío sobre el comportamiento dinámico de tuberías. En el presente trabajo se estudia el fenómeno de vibración inducida en tuberías horizontales biempotradas usando un modelo homogéneo sin deslizamiento para la mezcla bifásica. Se trata de una abordaje común en el tópico de flujo multifásico, pero hasta ahora no utilizada en el estudio 2-FIV. La ecuación de movimiento del sistema es derivada a partir de la formulación clásica de Païdoussis. Se asume la teoría de Euler-Bernoulli para vigas y pequeñas deflexiones. Se obtiene una ecuación diferencial parcial (EDP) acoplada fluido-estructura de cuarto orden. Esta se adimensionaliza y discretiza mediante el método de Galerkin. Este método transforma la EDP en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) de segundo orden. Así mismo, el método state-space es utilizado para transformar las EDOs en sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden para calcular las frecuencias del sistema. La respuesta estructural también es calculada. Las frecuencias y respuesta son calculadas para diferentes propiedades geométricas y condiciones de flujo. Para la estabilidad fluidoelástica, los resultados muestran que la frecuencia disminuye al aumentar la velocidad de la mezcla. Si disminuye la fracción de vacío homogénea, decrece la frecuencia. Con respecto a la respuesta estructural, la máxima amplitud ocurre en el punto central de la tubería. Además, variaciones apreciables del valor de la amplitud son observadas para altas velocidades superficiales de la mezcla. Estos resultados teóricos coinciden con los resultados experimentales reportados en la literatura.