Simulación de ciclones separadores mediante CFD

La ausencia de una teoría consolidada que describa el movimiento de los fluidos en el interior de un ciclón de aire tiende a favorecer modificaciones incrementales de los diseños existentes y/o la costosa construcción de prototipos físicos. La dinámica de fluidos computacional (CFD) permite comprender mejor la compleja estructura del campo de flujo del ciclón y ayuda a los diseñadores a analizar parámetros fundamentales, como la pérdida de carga, la estabilidad del vórtice central y la eficiencia de separación del ciclón, entendida como su capacidad para purificar el aire. Evidentemente, la utilidad de estos resultados depende del grado de confianza que pueda depositarse en la herramienta CFD para una aplicación determinada. Simcenter FloEFD aborda esta cuestión mediante la búsqueda continua de referencias de validación industriales y datos experimentales adecuados para la comparación.

Este estudio resulta especialmente interesante, ya que el modelo de turbulencia k-ε se considera, por lo general, poco adecuado para flujos con estructuras vorticiales, que desempeñan un papel fundamental en el funcionamiento de un ciclón. Por tanto, proporciona un excelente conjunto de datos para evaluar el modelo de turbulencia k-ε mejorado de FloEFD.

Se consideran dos experimentos independientes: el primero corresponde a un ciclón Stairmand de alta eficiencia (Stairmand High Efficiency), mientras que el segundo se refiere a un ciclón equipado con un depósito de recogida (véanse las Figuras 1 y 2).

Además de carecer de un depósito de recogida, el ciclón Stairmand HE se diferencia por no disponer de un dispositivo de enderezamiento del flujo al final del tubo de salida. Más allá de las diferencias geométricas, ambos conjuntos de datos experimentales permiten analizar distintos aspectos de la física de estos dispositivos y, por tanto, evaluar una amplia variedad de resultados obtenidos con FloEFD. La comparación con los datos experimentales del ciclón Stairmand proporciona una referencia sólida para evaluar cómo FloEFD reproduce la diferencia de presión entre la entrada y la salida. Por su parte, el ciclón de Lorenz, para el que se dispone de datos experimentales con un depósito de recogida, permite evaluar la precisión de Simcenter FloEFD en la simulación del movimiento y la sedimentación de partículas de diferentes diámetros.

Se analizaron distintas condiciones de funcionamiento del ciclón, abarcando velocidades de entrada de entre 5 y 25 m/s. La comparación de las predicciones de FloEFD con los resultados experimentales (Figura 4) muestra una excelente correlación en la caída de presión calculada entre la entrada y la salida.

Los datos experimentales de un ciclón equipado con un depósito de recogida abarcan una amplia variedad de condiciones de funcionamiento y temperaturas. Además, la evaluación de la eficiencia de separación del ciclón mediante Simcenter FloEFD se lleva a cabo simulando el movimiento y la sedimentación de las partículas. Para ello, se inyectan 500 partículas de diámetro conocido a través de la sección de entrada, para cada uno de los diámetros considerados. A continuación, se realiza un seguimiento de la trayectoria de cada partícula. La eficiencia del ciclón se determina, para cada diámetro, como la relación entre el número de partículas capturadas y el número total de partículas inyectadas.

También en este caso, el primer paso consistió en comparar las predicciones de la pérdida de carga con el conjunto de datos experimentales para un rango determinado de caudales. Los datos experimentales incluían también diferentes temperaturas del gas, cuyas condiciones correspondientes se simularon asimismo con Simcenter FloEFD (Figura 4). Para esta geometría del ciclón, al igual que para la anterior, los resultados muestran una excelente correlación entre los datos experimentales y las simulaciones.

El error máximo a las temperaturas más elevadas, de 850 °C, es ligeramente superior al 10 %. En la práctica, la temperatura de los gases en los ciclones rara vez supera los 400 °C. La eficiencia de separación calculada del ciclón se muestra en la Figura 5. Dado que el flujo en el interior de un ciclón es inestable, la probabilidad de sedimentación de las partículas para cada diámetro se calculó promediando los resultados de cinco inyecciones de partículas. Las barras verticales de cada punto representan los valores máximo y mínimo de la probabilidad de separación de partículas de un diámetro determinado, obtenidos en las cinco inyecciones. Aunque las curvas calculadas para el ciclón presentan una pendiente ligeramente más pronunciada que los datos experimentales, la concordancia entre Simcenter FloEFD y el conjunto de datos experimentales es muy buena, especialmente por debajo de los 200 °C.

Este estudio demuestra que el modelo de turbulencia k-ε modificado utilizado en Simcenter FloEFD es adecuado para simular flujos con estructuras vorticiales intensas. Teniendo en cuenta el bajo coste computacional de Simcenter FloEFD (la malla más grande se generó para el caso del ciclón con depósito de recogida y constaba de tan solo 380.000 celdas), queda patente el potencial de esta herramienta para los ingenieros y diseñadores que trabajan en el desarrollo de este tipo de sistemas.

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