Dinámica de Gotas y Burbujas
Eduardo Ramos y Federico Hernández
(Coordinadores)
Instituto de Energías Renovables e Inst. de Investigaciones en Materiales – UNAM
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Resulta difícil concebir un proceso industrial que no involucre algún tipo de flujo de líquidos, gases, sólidos, o combinaciones de ellos. El objetivo último es producir procesos y bienes que beneficien a la sociedad directa o indirectamente.
También en este contexto, la variedad de ejemplos es interminable y puede abarcar desde ´ las grandes represas, canales y sistemas de abastecimiento de agua potable para las ciudades, hasta modernos micro-dispositivos (los denominados “labs-on-a-chip”) diseñados para realizar ˜ numerosas funciones con micro- y nano-fluidos.
Entre muchas otras aplicaciones, podemos citar a los procesos de fundición en plantas siderúrgicas, el transporte de hidrocarburos a través de redes que cubren grandes distancias, el ́ transporte de sustancias susceptibles de transformación industrial, los sistemas de inyección (p. de plásticos, combustibles, etc.) y los ciclos de potencia y generación. ´
Por otra parte, en la actualidad han adquirido especial importancia las interacciones energéticas (mecánicas y térmicas) específicas. Esto se debe a los efectos potenciales que producen tanto en el sistema productivo como en el ambiente. La contaminación térmica y el ahorro energético son dos grandes focos de atención para mejorar los diversos sistemas industriales. Desde el punto de vista económico, las ventajas de incrementar la eficiencia también son incuestionables. ´
Hoy se sabe que la eficiencia global del sistema y la calidad del producto están estrechamente relacionados con estas interacciones energéticas. Por esta razón, permanentemente se llevan ´ a cabo auditorías energéticas (de forma transversal en todo el sector industrial) con el objeto ´ de aumentar la eficiencia global de intercambiadores de calor, de turbinas, generadores eólicos, ´ dispositivos para el control de flujo, etc.
Los beneficios derivados de este tipo de estudios incluyen la reducción del tamaño del sistema en cuestión, el incremento de la confiabilidad y rendimiento globales, y la disminución de los costos operativos asociados. Las figuras 1, 2, 3, 4, y 5, ilustran solamente algunos casos de interés.
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Flujos con mezclas gas-líquido de alta viscosidad y sus efectos dinámicos. (a) realización experimental del proceso de transporte; (b) descompresión ´ on súbita de la mezcla y su patrón´ de vibraciones inducidas [Mendo G., 2018]; (c) las fluctuaciones de la presión
se propagan a ́ través del conducto produciendo efectos significativos; (d) espectrogramas que caracterizan el comportamiento dinámico de la mezcla [́ Hernandez J. et al., 2019].
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Flujo en intercambiadores de calor compactos y su impacto en la eficiencia. (a) intercambiador moderno con tubos aletados [B. Pool, 2022]; (b) rediseño de la geometría con segmentación de aletas; (c) regiones del flujo con iso-vorticidad; (d) El campo de entropía producida está estrechamente relacionado con la eficiencia térmica global del dispositivo ´ [Hernández-Arrieta et al., 2018].
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Rediseño de una cámara de combustión para operar turbinas de gas con biocombustibles. (a) cámara de combustión de una turbina real [ ´ O. Cleynen, 2022] , (b) diseño de la cámara anular para operar con biocombustibles, (c) ilustración de los campos de presión, velocidades y ´ temperaturas resultantes: la maquina produce el empuje requerido con reducciones significativas ´ de las emisiones de gases de “efecto invernadero” [A. Iturbe, 2021].
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Fenómeno de ebullición durante el temple por convección forzada de probetas a escala ´ de laboratorio. (a) Durante la etapa de presencia de película de vapor se producen ondas interfaciales que se propagan (señaladas por flechas) afectando la dinámica de la región líquido-vapor. (b) durante la etapa de remojado, nuclean, crecen y se desprenden burbujas como la indicada por la flecha de color rojo [Cruces-Resendez R., 2020].
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Repercusiones ambientales asociadas a un proceso de flujo. Resultados de la simulación numérica y la validación experimental correspondientes a la formación de plumas térmicas ´ en un ambiente que rodea a un conducto que transporta un fluido a alta temperatura. Gracias a los gradientes de densidad, se producen circulaciones convectivas que terminan por modificar la temperatura en otras regiones del ambiente [Aragon F. et al, 2021].
En virtud de que los flujos industriales son el resultado de la interrelación de una multitud de ´ procesos subyacentes, las subdisciplinas de la dinámica de fluidos y la transferencia de calor ´ convergen en el estudio, diseño, aplicación, y optimización, de los los sistemas de inter ´ es. Las ´ figuras 6 y 7 ilustran dos procesos físicos fundamentales, cuyos efectos tienen una fuerte incidencia en el comportamiento global de muchos sistemas.
Procesos elementales de interacción de vórtices. Las imágenes muestran la colisión de un vórtice dipolar con una pared deslizándose a baja velocidad (a) y con una velocidad supercrítica (b) [Guzman et al., 2013].
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AFÍLIATE
La Sociedad Mexicana de Física convoca a los interesados en desarrollar actividades de ciencia recreativa a someter propuestas para participar en el XXXVII Encuentro Nacional de Divulgación Científica (XXXVII ENDC). Las actividades podrán consistir en talleres, demostraciones, juegos y obras de teatro, entre otras.
