Con el fin de facilitar la comparación de los resultados experimentales obtenidos en este trabajo con los presentados por Kitoh [3], en la figura 6.22 se muestran los perfiles adimensionales de la velocidad axial (6.22a) y de la velocidad tangencial (6.22b) obtenidos por dicho autor, los cuales corresponden a diversas intensidades de torbellino desde 0.12 hasta 1.18 obtenidos en diversas estaciones axiales.
Figura 6.22.- Perfiles de velocidad axial y tangencial adimensionales reportados por Kitoh[3].
De la figura 6.22a se observa que:
a).- El valor de la velocidad adimensional del flujo inverso va de -0.35 a -0.75. Con respecto a las mediciones realizadas, se observa una gran diferencia, del -34% con respecto al valor inferior y del +15% con respecto al limite superior. En los valores reportados por Kitoh, la menor velocidad adimensional del flujo inverso corresponde al menor valor de la intensidad de torbellino (0.42). En este aspecto, el comportamiento encontrado con nuestras mediciones y las calculadas con Fluent difieren notablemente de la reportada por Kitoh ya que el valor mayor de velocidad adimensional se encontró que corresponde a la menor velocidad de giro del ventilador, que corresponde también al menor valor de intensidad de torbellino calculado (0.44). Sin embargo Kitoh reporta que el flujo axial inverso aparece para una intensidad de torbellino mayor a 0.42, lo cual coincide con el valor determinado a partir de la ecuación (6.3).
Análisis de Resultados
b).- La posición radial para la cual se obtiene una velocidad axial de cero se ubica en un rango que va del 6% al 26% del radio del tubo, correspondiendo el menor valor para la intensidad del torbellino de 0.42 y el valor mayor para la intensidad del torbellino máxima (1.18). La diferencia con nuestros valores es del –60% para el límite inferior y del 16% para el límite superior. Aquí también se encuentra un comportamiento contrario con respecto a que el mayor radio para velocidad axial cero se produce para la menor velocidad de giro del ventilador y por tanto para la menor intensidad de torbellino.
c).- La velocidad axial adimensional máxima tiene un rango que va de 1.15 a 1.35, valores que tienen una diferencia del –10.8% para el límite inferior y del –6.9% para el límite superior con respecto a los valores obtenidos en este trabajo. Se puede decir que esta es una de las características del flujo en torbellino en la que se tiene mayor coincidencia con respecto a los valores reportados por Kitoh.
d).- La velocidad axial máxima se ubica en un rango que va del 79% al 86% del radio del tubo, lo cual arroja una diferencia con nuestros valores del –1.3% para el límite inferior y del 7.5% para el límite superior. Esta es otra característica en la cual existe una gran coincidencia con Kitoh. Sin embargo la forma de la cúspide de las curvas obtenidas por Kitoh difiere notablemente con las obtenidas en el presente trabajo, pareciéndose más a las obtenidas numéricamente con Fluent.
Con respecto a los perfiles de velocidad adimensional tangencial, figura 6.22b, se observa que:
e).- La velocidad adimensional tangencial máxima va de 1.2 a 2, lo cual representa una diferencia con respecto a nuestros valores del 53.8% para el límite inferior y del 132.6% para el límite superior, existiendo coincidencia en que el menor valor corresponde a la menor intensidad del torbellino y el valor mayor a la mayor intensidad de torbellino.
f).- La ubicación de la velocidad tangencial adimensional máxima se encuentra en un rango que va del 6% al 46% del radio del tubo, lo cual representa una diferencia del –86.2% para el límite inferior y del 5.7% para el limite superior con respecto a los datos experimentales aquí obtenidos.
g).- Con respecto a la pendiente de la curva en la zona del núcleo del torbellino (comportamiento del fluido como sólido rígido), se observa que Kitoh reporta dicho comportamiento lo cual difiere de nuestras mediciones y de las determinadas con Fluent. La comparación de la variación de la intensidad de torbellino con el número de Reynolds no se realiza debido a que Kitoh reporta mediciones para solo tres valores de número de Reynolds y dos de ellos (10000 y 150000) son mucho mayores al mayor número de Reynolds obtenido en nuestros experimentos; además, como se indicó, los diferentes valores de la intensidad de torbellino reportados por Kitoh fueron obtenidos en diferentes estaciones del tubo y se deben al decaimiento de la intensidad del torbellino por la fricción con la pared del tubo y no a la variación del número de Reynolds.
Conclusiones
Tiburcio Fernández Roque 117 SEPI-ESIME Zacatenco-IPN
Conclusiones
En esta investigación se ha puesto de manifiesto que aun no existe un acuerdo general en cuanto a la detección y a la medición del flujo axial inverso inducido por un flujo en torbellino en el interior de un tubo y que la aparición de dicho flujo inverso al parecer esta influenciada por el método de generación del torbellino, aspecto que no fue abordado en este trabajo pero que sin duda requiere mayor investigación y análisis.
Uno de los aspectos que quedó debidamente comprobado es que el flujo axial inverso no se puede medir con anemometría basada en presiones (tubo Pitot-estático y tubos de varios orificios) ni con anemometría de hilo caliente con sensores fijos aun y cuando existen artículos que reportan mediciones con dichas técnicas. De igual manera ha quedado de manifiesto que las técnicas mas adecuadas para medir el flujo axial inverso son la velocimetría por imagen de partículas (PIV), la anemometría Laser-Doppler y la técnica del hilo caliente volador.
Para la realización de este trabajo se seleccionó la técnica del hilo caliente volador, la cual fue descrita en detalle así como los trabajos realizados para implementar dicha técnica. De igual manera se describió el procedimiento utilizado para determinar la velocidad del flujo el cual tiene el inconveniente de que depende de la determinación del inició y final de la carrera del servo-motor y de la suposición de que el perfil de velocidad del servo-motor no cambia en cada medición. Con el procedimiento establecido se encontró que el flujo axial inverso existe a lo largo del chorro generado en la descarga y en los 20 cm finales del tubo y que este se presenta en un radio de aproximadamente 2 cm de la sección transversal del tubo. También se encontró que el flujo inverso no es continuo a lo largo de los recorridos en las posiciones radiales en las que se presenta (0 a 2 cm) y que resulta complicado establecer un perfil de velocidad empleando pocas mediciones (3) para una misma velocidad de giro del ventilador, dado que las mediciones no se realizan en el mismo instante. Para lograr esto se necesitaría colocar varios sensores de hilo caliente en el mismo soporte separados convenientemente y moviéndose juntos. Sin embargo con los criterios establecidos fue posible establecer los perfiles de velocidad axial en la estación x/d =6
del tubo para velocidades de giro del ventilador desde 400 hasta 1300 rpm así como la variación de la intensidad del torbellino con el número de Reynolds. Con relación a la
Conclusiones
intensidad del torbellino, se encontró que esta aumenta ligeramente con el número de Reynolds, lo cual concuerda con la idea de que debería mantenerse constante dado que el ángulo de ataque de las palas se mantiene constante y que este resultado se contrapone con el mayor incremento que tiene la intensidad del torbellino a partir de las mediciones realizadas con el sensor fijo.
Otro resultado interesante encontrado se refiere a la forma de la pendiente de la curva del perfil de velocidad tangencial en la zona que se considera que se comporta como vórtice forzado (rotación como sólido rígido) la cual va desde el centro del tubo hasta la posición radial donde se alcanza la velocidad tangencial máxima. De las mediciones realizadas se encuentra que en esta zona la gráfica no es recta como se ha considerado, sino que presenta una pequeña curvatura. Así también se observó que cuando el tubo gira en sentido contrario al sentido del ventilador, el flujo axial inverso se elimina (como era de esperarse), sin embargo cuando el tubo gira en el mismo sentido que el ventilador, no se detectó un incremento en la magnitud de la velocidad del flujo axial inverso, como se esperaba, sino que por el contrario disminuyó, a pesar de que en la zona de velocidad axial positiva se reflejó un incremento, lo cual hace suponer que dicho aumento en la velocidad del flujo inverso si ocurre físicamente pero que la instrumentación no lo logra detectar. Se considera que una causa posible para que esto suceda se debe atribuir al incremento de la turbulencia en la zona del núcleo.
Con relación al análisis mediante la Dinámica de Fluidos Computacional empleando el paquete Fluent y el modelo de turbulencia de esfuerzos de Reynolds, se puede concluir que en general Fluent reproduce el comportamiento experimental obtenido en nuestras mediciones y con las reportadas por Kitoh ya que, aun y cuando el perfil de velocidad tangencial de entrada utilizado corresponde a una rotación como sólido rígido, este evoluciona dentro del tubo generando los dos comportamientos que se obtienen experimentalmente, es decir, como vórtice forzado en el núcleo y como vórtice libre en la región anular. Un aspecto notable es que Fluent reproduce la curvatura obtenida experimentalmente en la zona del núcleo de la gráfica de la velocidad tangencial contra posición radial, en donde diversos autores consideran que el flujo se comporta como sólido rígido, aunque la concavidad de la curva que proporciona Fluent es mucho mas grande. También, Fluent reproduce los gradientes de presión adversos tanto radial como longitudinal encontrados experimentalmente por Kitoh y en las mediciones realizadas para la tesis de maestría del autor de esta investigación. Sin embargo las diferencias con respecto a valores específicos son notables, particularmente con respecto a la velocidad tangencial máxima, la velocidad máxima del flujo inverso y el radio para velocidad axial cero. Por lo anterior, se puede concluir que el análisis numérico del flujo en torbellino en el interior de un tubo que proporciona Fluent presenta resultados no satisfactorios, lo cual obliga a concluir que dichos resultados no son validados experimentalmente por lo que es necesario continuar con un análisis mas detallado de la influencia de las variables utilizadas en los cálculos realizados con Fluent con el fin de lograr la calibración adecuada.
Finalmente es conveniente mencionar que aunque el análisis numérico es una herramienta de gran ayuda para el diseño y análisis de ingeniería, presenta el inconveniente de que en casos en los que el fenómeno que se analiza presenta incongruencias o que todavía no existe una explicación aceptada y validada, como lo es el caso del flujo inverso inducido
Conclusiones
Tiburcio Fernández Roque 119 SEPI-ESIME Zacatenco-IPN por un flujo en torbellino, es necesario contar con una base de datos experimentales confiables (Benchmark) con los cuales comparar los resultados que arroje el análisis numérico y obtener una validación del paquete de DFC utilizado. Al realizar la validación se determinan los ajustes necesarios a las constantes del modelo a utilizar y al procedimiento a seguir para obtener resultados lógicos, útiles y de manera más económica para la solución de problemas de ingeniería.
Recomendaciones para trabajos futuros
Puesto que esta investigación experimental es la primera que se realiza a nivel nacional empleando la técnica del hilo caliente volador, su instrumentación ha presentado algunos inconvenientes que han generado incertidumbre en las mediciones realizadas. Sin embargo, con la idea de que el sistema de hilo caliente volador implementado en el LABINTHAP sea confiable y permita continuar con la investigación experimental del fenómeno analizado en este trabajo y que las mediciones obtenidas lleguen a conformar una base de datos aceptada como patrón para el flujo en torbellino en un tubo de sección transversal circular y para el chorro en torbellino que se genera en la descarga del tubo, es necesario tomar acciones en las siguientes direcciones:
1.- En primer término es indispensable sincronizar el inicio del movimiento del servomotor lineal con el inicio de la adquisición de datos por parte del sensor de hilo caliente o por lo menos establecer en forma exacta el inicio de la carrera del servomotor.
2.- Automatizar el procesamiento de las mediciones realizadas con el fin de que se puedan obtener velocidades medias en cada posición radial aun y cuando estas sean obtenidas en diferentes instantes. Esto al mismo tiempo permitirá calcular también la intensidad de la turbulencia, los esfuerzos de Reynolds normales (axial y tangencial) y los correspondientes esfuerzos cortantes.
3.- Incrementar la velocidad del servo-motor lineal con el fin de poder obtener mediciones del flujo axial inverso para mayores velocidades de giro del ventilador.
4.- Construir un modelo experimental que permita cambiar el ángulo de paso de las palas del ventilador con el fin de cambiar la intensidad del torbellino.
5.- Analizar con mas detalle el efecto del giro del tubo en la intensidad del torbellino y determinar la causa de porque cuando el tubo gira en el mismo sentido que el ventilador el flujo axial inverso no incrementa su magnitud como es de esperarse.
Bibliografía y Referencias