Modelado y simulación numérica de la dinámica de sistemas cavitantes líquido-burbuja con procesos de reacción química

Abstract

En el presente trabajo se aborda el problema del modelado y simulación numérica de la dinámica de sistemas líquido-burbuja con procesos de reacción química. En primer lugar, se presentan las ecuaciones para el problema general, haciendo un análisis adimensional de las mismas obteniendo los números adimensionales que van a controlar el proceso. A continuación, dos nuevos modelos de dinámica de burbujas aisladas son presentados. El primero, basado en la ecuación de Rayleigh-Plesset, resuelve las ecuaciones completas de Navier-Stokes en el interior de la burbuja incluyendo los procesos de transferencia de masa a través de la entrefase y el efecto de las posibles reacciones que se puedan producir durante los instantes del colapso. El segundo modelo, se presenta como un nuevo avance en el modelado de los procesos que ocurren en las proximidades de la burbuja al resolver las ecuaciones completas de continuidad y cantidad de movimiento en el líquido, lo que permite capturar las ondas de presión que van a generar las burbujas durante la implosión. De este modo, con ayuda de los modelos desarrollados, se ha realizado un análisis detallado de los procesos físicos y químicos que se llevan a cabo en la burbuja así como en el líquido que la rodea. El ciclo por el que pasa una burbuja cavitante ha sido dividido en diferentes etapas permitiendo una mejor comprensión del proceso. Para cada una de estas etapas, los resultados deducidos del análisis dimensional y el análisis numérico han permitido determinar bajo que condiciones las burbujas van a implosionar violentamente, así como el efecto de distintas variables externas como la composición del gas o la temperatura del líquido sobre la intensidad de la implosión producida. En cuanto a la aplicabilidad de los modelos tradicionales de Rayleigh-Plesset, se ha podido comprobar como la distancia de interacción de las burbujas es un parámetro fundamental de cara a obtener resultados realistas, además