Estudio numérico y experimental del flujo compresible estacionario en uniones de conductos

Abstract

[SPA] La presente Tesis Doctoral es un estudio numérico y experimental sobre el flujo compresible en uniones de conductos. El estudio realizado tiene un interés práctico en ingeniería y también una componente de investigación básica y ha consistido en el desarrollo y validación de una metodología global que permita aportar conocimiento sobre el comportamiento y la estructura interna del flujo compresible en uniones de conductos. La metodología desarrollada consiste en aplicar el modelo de flujo unidimensional, compresible y adiabático, para obtener en primer lugar el coeficiente de fricción del flujo totalmente desarrollado, a partir de los resultados obtenidos mediante simulación numérica con el código comercial de propósito general Fluent. A continuación, se utiliza este mismo modelo y el coeficiente de fricción calculado, para descontar las pérdidas debidas a la fricción viscosa en cada una de las ramas de la unión. A las magnitudes fluidas en la unión, una vez descontadas estas pérdidas, se les denomina “magnitudes extrapoladas”, de tal manera que el “salto” de propiedades extrapoladas en la intersección geométrica, permite determinar las pérdidas debidas exclusivamente a la unión. A partir del “salto” de propiedades calculado se define un coeficiente adimensional que caracteriza el flujo, y que depende del número de Mach extrapolado en la rama común y de la relación de gastos másicos entre ramas. La metodología de simulación numérica, así como, la instalación y el procedimiento experimental han sido validados mediante la comparación de los resultados obtenidos para el coeficiente de pérdidas de presión de remanso de Miller (1984), con los datos experimentales de Abou-Haidar y Dixon (1992,1994) para uniones tipo “T” a 90º. En general, se observa un aceptable grado de coincidencia, si bien, existe cierta irregularidad y dispersión de datos en algunas configuraciones de flujo estudiadas. Esto dificulta la obtención de correlaciones para ser utilizadas como condición de contorno en los códigos de simulación global 1D de análisis y diseño de sistemas de transporte de fluidos. Uno de los factores que influyen en la irregularidad y dispersión de datos observada es que el coeficiente de pérdidas de Miller amplifica la incertidumbre de las medidas. Por este motivo, se ha realizado un análisis de propagación de errores detallado y se ha concluido que la única magnitud cuyo error de medida es amplificado es la presión estática. A partir de este estudio se ha obtenido de forma analítica una nueva expresión para el coeficiente de pérdidas, denominado “coeficiente de enlace”, que no amplifica los errores de partida y presenta además otras ventajas importantes, como su mayor sensibilidad al número de Mach y la dependencia lineal con éste en escala logarítmica.Una vez validada la metodología desarrollada y definido el nuevo coeficiente de enlace, se ha llevado a cabo la caracterización experimental y numérica del flujo compresible estacionario en una unión direccional a 30º de geometría más compleja, de la que no se dispone de información en flujo compresible. Los resultados numéricos obtenidos permiten analizar en profundidad las características y estructura interna del flujo, ya que se dispone de una información muy completa sobre cualquier magnitud fluida. Se puede así, identificar el origen de las pérdidas para cada tipo de flujo, evaluar el tamaño de las regiones de recirculación y flujo separado, o determinar la longitud necesaria para que el flujo se desarrolle plenamente aguas abajo de la unión. La presente Tesis Doctoral proporciona también resultados de interés práctico, ya que se han obtenido correlaciones parciales y globales fiables del coeficiente de enlace en función del número de Mach extrapolado en la rama común y de la relación de gastos másicos entre ramas, para los dos tipos de uniones estudiadas. Estas correlaciones responden a ecuaciones matemáticas sencillas, por lo que proporcionan una condición de contorno muy compacta y fácil de implementar en los códigos de simulación global 1D.

[ENG] A detailed numerical and experimental study on compressible flow at junctions has been accomplished. The investigation has a practical interest in engineering and also an important component of basic Investigation. A global methodology it has been developed and validated. This allows obtaining knowledge about compressible flow behaviour and its internal structure at junctions. The developed methodology consists in applying the one-dimensional adiabatic, compressible fluid flow model to obtain the friction coefficient in fully-developed flow, departing from numerical results obtained using commercial software Fluent. Later, this model and the obtained loss coefficient are used to subtract the friction losses in each branch of the junction. The fluid properties at the junction, once the frictional losses have been discounted, are denominated “extrapolated properties”. The “jump” of the extrapolated properties is used to calculate a non-dimensional coefficient to characterize the additional losses due to the junction. This coefficient is correlated with extrapolated Mach number in common branch and mass flow rate ratio between branches. The numerical simulation methodology, test facility and the experimental procedure have been validated comparing the obtained numerical and experimental results using total pressure loss coefficient defined by Miller, with experimental data published in open literature.Miller’s loss coefficient definition amplifies the uncertainty of measurements. For this reason, a detailed error propagation analysis has been accomplished, and it has been concluded that uncertainty in static pressure measurement is significantly amplified. A new expression of the loss coefficient, “linking coefficient” has been proposed. This new coefficient definition does not amplify the uncertainty, and exhibits other interesting advantages, such as, a higher sensitivity to extrapolated Mach number in common branch and a lineal tendency in logarithmic scale. Practical correlations are also summarized. Reliable partial and global correlations of the linking coefficient have been obtained in terms of the extrapolated Mach number in common branch and of the mass flow rate ratio between branches, in both junctions studied for 90 degree T-junctions and 30 degree directional T-junction which geometry is more complex. These correlations have simple mathematical expressions, which provide robust and easy to implement as boundary conditions in one-dimensional global simulation codes.