Estudio de la deposición de partículas por difusión Browniana de un aerosol sobre una superficie de geometría variable que cuenta con un sistema de soplado

Abstract

Un aerosol es un sistema multifásico formado por pequeñas partículas sólidas o gotas líquidas dispersas en un gas (Hinds, 2012). Estas partículas o gotas de la fase dispersa no siguen exactamente las líneas de corriente del gas, su distribución se ve afectada por los cambios en la velocidad del gas al bordear obstáculos y pueden depositarse sobre superficies sólidas expuestas a la corriente gaseosa. En algunas aplicaciones, estas acumulaciones de partículas en superficies pueden tener efectos negativos. Con el objetivo de evitar estos efectos, la aplicación de campos de repulsión de partículas en las proximidades de las superficies puede reducir la deposición de partículas. Un posible método, consistiría en la aplicación de una corriente de soplado en la superficie, donde la corriente tendría como objetivo mantener las partículas lejos de la superficie. El presente estudio desarrolla un modelo para analizar y estimar los efectos del soplado en la reducción de la deposición de partículas. De esta manera, mediante un análisis de similaridad se resuelven las ecuaciones de conservación de la masa y de conservación de la cantidad de movimiento del fluido dentro de la capa límite. Una vez las velocidades son conocidas, la solución al problema del transporte de partículas determina el perfil de concentración de masa (Ψ) y la tasa de deposición de partículas sobre la superficie (J), basados en cuatro parámetros: el parámetro del ángulo de ataque (β), el número de Schmidt (Sc), el parámetro adimensional de soplado (fw) y el parámetro adimensional de adsorción (γ). En esta fase del problema, se resuelve el perfil de concentración de masa (Ψ), considerando una acomodación parcial de la concentración en la superficie y por tanto, con condiciones de frontera de la concentración Ψ (∞) = 1 lejos de la superficie y Ψ (0) = 0 en las proximidades de la superficie. La concentración en la superficie es función del parámetro adimensional de soplado (fw), del número de Schmidt (Sc) debido a la difusión y de otro parámetro adimensional (γ), definido como el coeficiente de adsorción de la superficie que caracteriza el fenómeno de la adsorción sobre ella. Además, el parámetro β define la geometría de la superficie, siendo πβ el ángulo de ataque de la superficie. El número de Schmidt (Sc) mide la relevancia de la difusión browniana en el transporte de partículas dentro de la capa límite y el parámetro intensidad adimensional de soplado (fw) determina la intensidad de la corriente de soplado a través de la superficie en relación con la corriente externa. Sin olvidar, la influencia del coeficiente de adsorción γ en la deposición de partículas. Finalmente, debido a que el cálculo computacional del transporte de partículas puede ser numéricamente complicado, se desarrollan dos aproximaciones matemáticas válidas que permitan un cálculo sencillo del problema, en un primer caso para un elevado valor del número de Schmidt (Sc) (solución asintótica) y un segundo caso donde la intensidad de soplado es débil (f → 0). Además, ambas aproximaciones pueden combinarse cuando el estudio aborde valores elevados del número de Schmidt junto con intensidades de soplado débiles. Los resultados preliminares del trabajo conducente a esta Tesis Doctoral fueron publicados en el artículo "Aerosol deposition rates by mass diffusion in laminar boundary layers with an implemented blowing system. Approximate methods for flat plates" en el número 141 de la revista científica ’Journal of Aerosol Science’ donde se realizaba el estudio únicamente para el caso de superficies planas y sin tener en cuenta el fenómeno de la adsorción.