Facultad de Ciencias e Ingeniería
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Ítem Texto completo enlazado Modelamiento numérico de la formación de hollín en llamas laminares difusivas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-07) Ruiz Gallardo, Sebastián; Celis Pérez, CésarLas reacciones químicas que ocurren en procesos de pirólisis y combustión de hidrocarburos originan la formación de material particulado, comúnmente conocido como hollín. El estudio de las especies químicas críticas que controlan la formación de hollín, así como de los principios físicos y químicos asociados, es de gran importancia para disminuir los impactos negativos de este contaminante en la salud y en el medio ambiente, y para la mejora de la eficiencia de los sistemas de combustión. En ese sentido, el objetivo principal de este trabajo es el estudio de las especies químicas precursoras que controlan la formación de hollín. Para ello, por medio de modelamiento numérico basado en dinámica de fluidos computacional (CFD), una llama laminar difusiva de etileno/aire en coflujo, que tiene como característica principal la producción de cantidades relativamente grandes de hollín, es evaluada. Más específicamente, diferentes modelos de formación de hollín en llamas laminares difusivas son implementados, y luego los resultados obtenidos con estos modelos son comparados entre sí y con datos experimentales. En particular, diferentes mecanismos de cinética química son comparados en base a las concentraciones de las principales especies químicas que intervienen en la formación de hollín. Además, los modelos de formación de hollín son evaluados considerando un caso de estudio estudiado experimentalmente en el pasado, el cual cuenta con mediciones de temperatura y fracción volumétrica de hollín. Adicionalmente, a fin de observar los efectos sobre la formación de hollín, un análisis de sensibilidad de los parámetros empíricos empleados en uno de los modelos de hollín estudiados es también realizado. Los resultados obtenidos enfatizan que aún queda un largo camino por recorrer antes de tener un modelo de hollín capaz de describir adecuadamente la formación de este contaminante crítico en situaciones de interés practico.Ítem Texto completo enlazado Análisis numérico de la estructura del flujo turbulento inerte en la estela cercana de un quemador tipo bluff-body circular usando herramientas computacionales de código abierto(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-12-06) Franco Estrada, Ricardo; Celis Perez, CesarEl correcto modelamiento de flujos turbulentos representa un reto en la ingeniería hasta el día de hoy. El modelamiento de la combustión turbulenta resulta aún más complejo, debido a la interacción entre la cinética química y la turbulencia. El entendimiento del proceso de combustión turbulenta es clave en el desarrollo de quemadores, ya que deben ser diseñados para brindar una llama estable. Un mecanismo de estabilización ampliamente empleado es el de la llama recirculante. El propósito del presente trabajo es caracterizar numéricamente el flujo turbulento inerte presente en la estela cercana en un quemador tipo bluff-body utilizando herramientas CFD de fuente abierta. Los resultados numéricos son comparados y validados con mediciones experimentales realizadas en la PUC-Rio. Cuatro abordajes numéricos son estudiados: (i) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), (ii) Large Eddy Simulation (LES), (iii) Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES). El primero consiste en resolver valores promedios de las cantidades físicas y modelar las varianzas. El segundo consiste en filtrar espacialmente y resolver directamente los vórtices turbulentos grandes, mientras que se modelan los más pequeños. El tercero y el cuarto están basados en una técnica híbrida entre RANS y LES. Para producir los resultados numéricos LES, DDES e IDDES se realizan promedios tanto temporales como espaciales en la dirección azimutal para reducir el costo computacional de las simulaciones, aprovechando la simetría del flujo alrededor del eje. Luego, la sensibilidad a la malla es evaluada utilizando el método de autocorrelaciones espaciales, nuevamente aplicando un promedio azimutal. Estos promedios implican una transformación de coordenadas de cartesianas a cilíndricas. Finalmente, los resultados finales muestran que la técnica más apta para este caso es el LES, seguido por las técnicas híbridas. Si bien el abordaje RANS muestra un acercamiento cualitativo a los campos de velocidad experimental, este se aleja en la estructura turbulenta del flujo, siendo el que más diverge de los resultados experimentales.Ítem Texto completo enlazado Desarrollo de modelos de turbulencia LES utilizados en simulaciones numéricas de flujos turbulentos complejos presentes en la industria minera(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-28) Córdova Acuña, Jhon David; Celis Pérez, CésarEn el Perú, la minería es una actividad extractiva que permite mantener la estabilidad económica del país. En la actualidad, aproximadamente, un tercio del consumo eléctrico nacional proviene del sector minero, el cual es mayoritariamente utilizado para el transporte y molienda de pulpas minerales en plantas concentradoras de mineral. Por lo tanto, la minería como actividad económica demanda una gran cantidad de recursos energéticos, cuya generación origina impactos negativos en la salud y el medio ambiente. Así, la determinación de condiciones operativas de plantas de concentración que permitan reducir el consumo de energía asociado es de particular interés para la industria. En la práctica, el transporte y molienda de pulpas minerales involucra flujos turbulentos de fluidos no-Newtonianos. Por lo tanto, simulaciones numéricas de estos flujos complejos deben ser capaces de describir adecuadamente el fenómeno de la turbulencia. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar modelos de turbulencia tipo LES (simulación de grandes escalas) para estos flujos complejos, considerando el comportamiento reológico de las pulpas minerales. En consecuencia, a fin de describir adecuadamente el modelamiento numérico de estos flujos de interés vía LES, trabajos anteriores involucrando flujos de fluidos no- Newtonianos son inicialmente revisados. Luego, los modelos de turbulencia LES son implementados en una herramienta computacional (CFLOWSS) actualmente en desarrollo. Con los modelos implementados, resultados de flujos turbulentos Newtonianos obtenidos en una configuración clásica de placas planas son primero comparados con otros disponibles en la literatura. Finalmente, para evaluar el efecto de la reología sobre las características turbulentas del flujo, flujos turbulentos no-Newtonianos como aquellos caracterizando el transporte de pulpas minerales son numéricamente simulados.Ítem Texto completo enlazado Propagation of exothermic reaction fronts in liquids(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-03-28) Ruelas Paredes, David Reinaldo Alejandro; Vásquez, Desiderio A.La convección es el proceso en el que los fluidos menos densos se elevan sobre otros más densos. Se encuentra presente en fenómenos naturales tan diversos como el almacenamiento natural de CO2, la propagación de ondas viajeras, y la formación de columnas de basalto. Por lo tanto, determinar las condiciones bajo las que se produce convección representa un desafío importante. La convección puede originarse por gradientes de densidad debidos a expansión térmica o a cambios de composición en los fluidos. Modelos anteriores y experimentos realizados en la reacción de iodatoácido arsenioso determinaron que los gradientes del primer tipo producen efectos insignificantes en comparación con los del segundo. Desarrollamos un modelo no-lineal para la propagación de frentes de reacción delgados en reacciones autocatalíticas que ocurren en un sistema bidimensional. Empleamos una ecuación de calor (adveccióndifusión) para determinar la distribución de temperaturas en el sistema, la ley de Darcy para determinar la velocidad de los fluidos, y la relación eikonal para describir la propagación de los frentes. Los efectos térmicos del modelo dan lugar a frentes planos, no-axisimétricos, y axisimétricos. Sometemos la solución de frente plano de nuestro sistema a un análisis lineal de estabilidad. Para ello introducimos perturbaciones pequeñas, obteniendo así un sistema lineal de ecuaciones para la evolución de dichas perturbaciones. Mediante este análisis determinamos las condiciones para el desarrollo de frentes convectivos. Resumimos estos resultados en el plano generado por nuestros parámetros de control — los números de Rayleigh — y sugerimos posibles usos para este modelo.Ítem Texto completo enlazado Análisis de vías de agua de brocas de perforación diamantina mediante simulación numérica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-10-28) Garay Gómez, Haekel Zósimo; Valverde Guzmán, Quino MartínEl presente documento detalla la variación de las condiciones de trabajo que se obtiene al modificar la geometría de las vías de agua de las brocas de perforación diamantinas, las cuales son utilizadas como herramientas de corte durante los procesos de perforación. En la primera etapa de la investigación, el análisis de la problemática se realiza mediante simulaciones numéricas, siendo el alcance la comparación de las características fluido-dinámicas del flujo de enfriamiento tanto de las brocas con vías de agua estándar (radiales), como de las brocas con las vías de agua modificada (con un ángulo de inclinación). Posteriormente, con el objetivo de probar el desempeño de las brocas y el desgaste que se presenta en cada geometría, se realizaron ensayos experimentales (ensayos de perforación) en las instalaciones de la empresa Boyles Bros Diamantina. En esta etapa, es importante mencionar que la empresa dispuso de una máquina de perforación y de un área de sus instalaciones para el desarrollo de las pruebas experimentales. Finalmente, según los resultados obtenidos, se logra verificar que la modificación de la geometría de vías de agua influye en el desempeño de la broca de perforación de manera positiva. En el caso de la simulación numérica se observa un desarrollo del fluido más eficiente, con vectores de velocidad de mayor magnitud y con zonas de intensidad de turbulencia más uniformes, lo cual se traduce en una mejor capacidad de enfriamiento de la broca de perforación. En cuanto a los resultados de los ensayos experimentales, se observó una reducción aproximada del desgaste de la corona de 54 % durante los primeros 25 metros de perforación, así como un menor desgaste del casquillo de acero producto de una mejor evacuación de detritos (conglomerado de partículas rocosas y partículas de la matriz de la broca). Estos resultados demuestran que el diseño propuesto de vías de agua inclinadas es una alternativa viable con grandes beneficios, pues proporciona una mayor eficiencia en la capacidad de enfriamiento, y reduce tanto el calentamiento de la broca como la ductilidad de la matriz metálica, lo que en consecuencia permite disminuir las posibilidades de desgaste prematuro de la matriz y del casquillo de acero, lográndose mayores metrajes de perforación.Ítem Texto completo enlazado Diseño hidráulico del canal de disipación que conecta un conducto con flujo supercrítico con un aforador Parshall, empleando un modelo a escala(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-05-09) Abarca Huamán, Luis Edgardo; Dominguez Talavera, Iris VioletaEl presente trabajo brinda resultados de ensayos experimentales realizados para la determinación de la longitud, dimensiones de la sección transversal y la rugosidad absoluta que debe tener el canal de disipación aguas arriba un aforador Parshall, el cual se plantea como una propuesta de solución a un problema identificado en un proyecto real dentro de la actividad minera. El estudio se aplica en una parte de la conducción del flujo de líquidos originados en el proceso de lixiviación de minerales, para lo cual básicamente se cuenta con una estructura conformada por un sistema de tuberías de colección de la solución lixiviada, la que luego se conecta una tubería denominada principal, la cual descarga a un canal de aproximación (disipador de energía) y a un aforador Parshall. Es en este canal de disipación en que el flujo impacta en la base del canal produciéndose un flujo turbulento en el aforador, lo cual origina gran imprecisión en la medición del caudal que atraviesa por este. Por lo tanto, se propone el dimensionamiento y las características de rugosidad para el canal de disipación, tal de obtener un flujo en régimen subcrítico, aguas abajo del flujo en régimen supercrítico. De esta manera se cumplirá con las condiciones que requiere el aforador Parshall para su correcto funcionamiento. La solución al problema identificado, que se halló mediante el presente trabajo de tesis está basado en el desarrollo y la aplicación de un modelo físico del prototipo, construido a escala, cuyo diseño cumple la teoría de semejanza semejanza hidráulica. La fabricación del modelo, se realizó tomando en cuenta las condiciones y restricciones existentes del lugar donde fue instalado para fines de los ensayos a realizar, es decir, en el Laboratorio de Hidráulica de la Pontificia Universidad Católica del Perú.Ítem Texto completo enlazado Estudio del flujo en un tanque agitador vertical de impulsor PTB con superficie libre mediante el programa ANSYS CFX V.14.0(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2013-12-13) Huerto Bujaico, Hebert Oswaldo; Valverde Guzmán, Quino MartínEl presente trabajo de tesis es motivado por la necesidad de contribuir con la mejora y optimización de nuevos diseños, en la fabricación de tanques agitadores, que permitan minimizar el tiempo de operación, incrementar la eficiencia de mezcla y disminuir los costos de fabricación. El lector encontrará dentro de este trabajo una breve explicación de las generalidades técnicas en tanques agitadores, números adimensionales utilizados en mezcla, ecuaciones matemáticas que gobiernan el comportamiento de los fluidos, estadísticas de mallado, así como la descripción de los principales modelos de turbulencia en CFD (Dinámica de Fluidos Computacional). Una gran parte del tiempo de este proyecto se dedicó a proponer un procedimiento para simular y mostrar el comportamiento del flujo dentro de un tanque agitador vertical con superficie libre; para ello se utilizó el software Ansys versión 14.0 (herramienta computacional de simulación de CFD) considerando la interacción impulsor-deflector, flujo turbulento, fluido newtoniano, simulación bifásica, régimen estacionario y un impulsor PTB (turbina de paletas rectas inclinadas 45°) de cuatro álabes. Luego, los resultados obtenidos de la simulación, tomando como principal variable los modelos de turbulencia k-Epsilon, k-Omega o Shear Stress Transport (SST), fueron comparados, en base a la curva de potencia (Re vs Np) para este el tipo impulsores, con los resultados experimentales proporcionados por la empresa, fabricante de agitadores, Chemineer. El modelo de turbulencia SST resulto ser el más adecuado para este tipo de caso de estudio por presentar un error menor al 8% en la comparación con las curvas de potencia; con lo cual, podemos concluir que el presente trabajo nos propone un procedimiento válido para simular y mostrar el comportamiento del flujo que se produce en un tanque agitador vertical de impulsor PTB con superficie libre y régimen estacionario mediante el software Ansys versión 14.0.Ítem Texto completo enlazado Diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico agua-aire(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2012-11-09) Ortiz Vidal, Luis Enrique; Barrantes Peña, Enrique JoséEl abordaje experimental se presenta como la primera mejor opción para el estudio de fenómenos físicos complejos. Este es el caso de las vibraciones generadas por flujo bifásico gas-líquido en tubo, donde una mezcla inmiscible de dos fluidos fluye en diversas configuraciones espaciales a través de un tubo induciéndole vibraciones. En la práctica, ese fenómeno es parte intrínseca de muchos procesos en industrias como la nuclear, petróleo y gas, refrigeración y generación de potencia. Instalaciones experimentales debidamente diseñadas para el estudio de este fenómeno son necesarias. Así, se presenta el diseño de un banco experimental para la generación de flujo bifásico gas-líquido orientado al estudio de vibraciones inducidas por flujo. Se discuten aspectos hidráulicos y estructurales. Se propone una novedosa metodología para la estimación de la presión de diseño, basada en un análisis fenomenológico. También se presentan criterios provenientes del código ASME B31 y de la práctica industrial para la evaluación de la integridad del tubo como elemento estructural. La metodología y los criterios citados fueron aplicados al caso de un tubo PVC Ø1” Sch.40 con agua y aire simulando las fases líquida y gaseosa, respectivamente. Con los resultados obtenidos, los parámetros de selección de los equipos de bombeo y de aire comprimido fueron discutidos y un dimensionamiento fue realizado. La evaluación de costos arrojó un monto de S/. 120 371.2 para el valor total del proyecto, donde 12.8% representó la mano de obra para las etapas de diseño y construcción. El presente diseño garantiza la experimentación de flujo bifásico gaslíquido con confiabilidad y seguridad. Sus directrices podrían auxiliar en la concepción, diseño y construcción de bancos experimentales para el estudio de flujo bifásico en diversas condiciones.