Trabajo de Investigación La cavitación en problemas reales

1. Trabajo de InvestigaciónLa cavitación enproblemas reales Candidato: Dr. Javier Blasco Alberto

2. Contenido • Introducción • Ecuaciones, órdenes magnitud, modelos numéricos • Aplicaciones a diseño de experimentos • Conclusiones y trabajo futuro

3. Introducción

4. Efectos perversos de la cavitación • Finales s. XIX: Destructor HMS Daring: las hélices hacían ruido, erosión, bajo rendimiento.

5. Efectos perversos de la cavitación • British Admiralty: contrata a Lord Rayleigh (1917). • Primer modelo matemático(colapso en líquido incompresible) • Estima Pmax~ 1000 atm, Tmax~ 10000 K

6. Primeros estudios cavitación • Langevin et al (1915-1920). Cavitación acústica • Richards & Loomis (1927): Sonoquímica • Zimakov (1934), Frenzel & Schultes (1935): Sonoluminiscencia

7. Fusión fría por cavitación Science, vol 295, 2002

8. Fusión fría por cavitación

9. EBULLICIÓN (presión constante) CAVITACIÓN (temperatura constante) ¿Qué es la cavitación? Presión líquido sólido gas Temperatura

10. Equilibrio presiones-tensión sup. Ecuación Laplace-Young

11. ¿Qué es y cómo se origina? • Nucleación(Harvey et al, 1962) • Homogénea (líquido puro) • Heterogénea • Núcleos “contaminantes” • Grietas ~ 10 µm INICIAL

12. Formas de inducir cavitación Hidrodinámica Ultrasónica Deposiciónintensaenergía

13. Ejemplos de problemas reales(1) Depuración de aguas

14. Depuración de aguas • Industria química transnacional • Métodos convencionales (oxidación) caros • Viabilidad de cavitación hidrodinámica • Proyecto investigación de 4 años • Revisón bibliográfica • Dos diseños: laboratorio y semi-industrial

15. Bucle de laboratorio 3000 € Caudal 7,5m3/h Presión 3,5 bar.

16. Bucle semi-industrial 80.000 € Caudal 40 m3/h Presión 12 bar.

17. Bucle cavitación LITEC-AMF

18. Depuración de aguas • Resultados alentadores en laboratorio • Fracaso en planta piloto • CONCLUSIONES: • Se desconocen las bases del proceso • No se sabe cómo controlarlo

19. Problemas reales(2) Tratamiento de purines

20. Tratamiento de purines • Estiércoles líquidos de ganado porcino (purines) • Misma instalación de laboratorio • Reducciones • Razonables para ciertos contaminantes • Muy limitadas para comp. nitrogenados (NH3) • MISMA CONCLUSIÓN: desconocimiento del proceso

21. Modelos numéricos • MOTIVACIÓN: fracasos anteriores por desconocimiento del proceso de cavitación • MODELOS • Modelo 0D basado en Rayleigh-Plesset • Modelo 1D (variación radial de propiedades) • Modelo 2D-3D (VOF + level set)

22. Problemas reales(3) Lipolisis ultrasónica

23. Lipolisis ultrasónica • Eliminación de grasa con ultrasonidos • Tratamiento externo(aplicar sonda superficialmente sobre piel) • Evita cirugía (liposucción) • ¿Principios de funcionamiento de la máquina? • Rotura de macromoléculas de lípidos (adipocitos) • Posteriormente: se eliminan a través de la orina

24. Problemas reales(4) Mejoramiento de crudos pesados

25. Mejoramiento de crudos • Mejoras en crudos: • Reducción viscosidad • Craqueo parcial • Eliminación de azufre, nitrógeno, metales pesados

26. ¿Cómo actúa la cavitación?

27. Cómo actúa la cavitación • Durante la implosión: • Incrementos grandes de temperatura y de presión ~ 104 K y 103 atm • Radios ~ 10-100 µm • Tiempos ~ 1 µs • Velocidad interfase ~ 100 m/s

28. Cómo actúa la cavitación • Transferencia de materia en la interfase • Evaporación y condensaciónen superficie burbuja. • Compuestos volátiles en el líquido pasan al interior de la burbuja. COND EVAP

29. Cómo actúa la cavitación • Ondas de presión en el líquido • Similar a GdA • Expansión/compresión burbuja:frenado brusco masa líquido(gran inercia). • Emisión de ondas de presiónreforzadas/anuladas

30. Cómo actúa la cavitación • Generación de micro-chorros en la rotura • Presencia de otras burbujas o de pared: rompe simetría esférica. • Eyección de micro-chorros de líquido a muy alta velocidad (100-150 m/s, diámetros 1-10 µm). • Velocidades de deformación elevadas (107 s-1)

31. Cómo actúa la cavitación • Corrientes acústicas(acoustic streaming) • Origen: transferencia CM delcampo acústico al fluido. • Si λUS > Dburbujas, gradiente de presión mueve las burbujas (y éstas el líquido). • Favorece mezcla.

32. Cómo actúa la cavitación Comportamiento colectivode nubes de burbujas

33. Cómo actúa la cavitación SONOLUMINISCENCIA(Gaitan & Crum 1989)

34. Propuesta de actuación • TENIENDO EN CUENTA • Tiempos ~µs longitudes ~10-100 µm • Ténicas experimentales muy complicadas y caras (300.000 fps, …) • Ensayos muy sistemáticos(contrastar ideas a priori) • Simulaciones muy sencillas(guía diseño planta piloto) PROPUESTAS

35. CONTENIDO • Simulaciones numéricas • Ecuaciones • Análisis órdenes de magnitud • Modelos y resultados • Explotación de resultados en diseño experimentos • Análisis de sensibilidad • Burbuja en un Venturi

36. Ecuaciones

37. El problema a resolver

38. Hipótesis • Simetría esférica • Fenómenos de transporte • Gas perfecto pb=pg + pv • Sin reacción química en el líquido

39. Ecuaciones burbuja

40. Órdenes de magnitud (burbuja) Ecuación de continuidad Ecuación de cantidad de movimiento

41. Órdenes de magnitud (burbuja)

42. Órdenes de magnitud (burbuja) Ecuación de la energía

43. Órdenes de magnitud (burbuja) Ecuación de las especies químicas

44. Ecuaciones líquido

45. Condiciones iniciales

46. Condiciones de contorno En el centro de la burbuja

47. Condiciones de contorno Muy lejos de la burbuja

48. CC Interfase Clausius-Clapeyron Condición suplementaria (cálculo de R)

49. CC Interfase Gas expandiéndose más rápido que burbuja g>0 Parte del vaporse condensa Pasa a formar parte del líquido exterior R(t)

50. CC Interfase Gas expandiéndose máslento que burbuja g< 0 Parte del líquidose evapora Pasa a formar parte del vapor interior R(t)