PROCEDIMIENTO Y PROGRAMA DE ORDENADOR PARA SIMULAR UN CAMPO DE VORTICIDIDAD PARA SEPARAR Y CLASIFICAR PARTÍCULAS SUSPENDIDAS EN UN FLUIDO.
Procedimiento y programa de ordenador para simular un campo de vorticidad para separar y clasificar partículas suspendidas en un fluido.
La presente invención se refiere a un procedimiento para simular un campo de vorticidad para separar y clasificar partículas suspendidas en un fluido en función de su inercia, mediante la aplicación en dicho fluido de un campo de vorticidad periódico. Se describe también un programa de ordenador para llevar a cabo dicho procedimiento de simulación
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200900733.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE HUELVA.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: HUELVA.
Inventor/es: MORENO LOPEZ,MARIA JOSE, SANCHEZ DOMINGUEZ,URBANO.
Fecha de Solicitud: 17 de Marzo de 2009.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 27 de Enero de 2012.
Clasificación Internacional de Patentes:
- G06F17/50C
Clasificación PCT:
- B01D45/16 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL. › B01D SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda B03B, B03D, mesas o cribas neumáticas B03B, por vía seca B07; separación magnética o electrostática de materiales sólidos a partir de materiales sólidos o de fluidos, separación mediante campos eléctricos de alta tensión B03C; aparatos centrifugadores B04B; aparato de vórtice B04C; prensas en sí para exprimir los líquidos de las sustancias que los contienen B30B 9/02). › B01D 45/00 Separación de partículas dispersas en gases o en vapores por gravedad, inercia o fuerza centrífuga. › producida por el movimiento helicoidal de la corriente gaseosa.
- G06F17/50
PDF original: ES-2356878_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
Procedimiento y programa de ordenador para simular un campo de vorticidad para separar y clasificar partículas suspendidas en un fluido.
Objeto de la invención
El objeto principal de la invención es un procedimiento para simular un campo de vorticidad para separar partículas suspendidas en un fluido. Más concretamente, se refiere a la separación y la clasificación de partículas suspendidas en un fluido en función de su inercia, mediante la aplicación en dicho fluido de un campo de vorticidad periódico.
Además, el programa de ordenador asociado está relacionado con la informática aplicada a la mecánica de fluidos, en el sector técnico de separación de partículas suspendidas en el seno de un fluido, en aplicaciones tales como la limpieza de gases, la clasificación de partículas por tamaño, la eliminación de partículas de vertidos líquidos (por ejemplo, depuración de aguas residuales industriales), purificación de entornos de trabajo contaminados por partículas (por ejemplo, zonas de molienda, trituración, molturación, etc., en sectores tales como químicos, alimentarios o agrícolas), o la recuperación de partículas de carácter valioso (por ejemplo, pulido de metales preciosos).
Antecedentes de la invención
La presencia de flujos multifásicos dispersos es muy común en el entorno medioambiental y en muchos procesos industriales. Por citar algunos ejemplos se podría mencionar la minería, el polvo resultante de la erosión, los residuos de las combustiones, procesos de Ingeniería Química, etc. Estas partículas en suspensión frecuentemente son causa de problemas relacionados con la contaminación, deterioro de equipos, etc., y por ese motivo suele ser necesario minimizar el número de partículas presentes en el seno del fluido, o bien separarlas y extraerlas. Así, los métodos de separación de partículas de un fluido y su clasificación constituyen en la actualidad un importante campo de investigación [Frank T. H., Wassen E., Yu Q. & Schneider J., Proceedings of the 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conferences, 1999] y de aplicación.
Algunos métodos habitualmente utilizados incluyen la supresión de la producción de polvo, aceleración de la sedimentación de partículas, ventilación [Dawson J. R., J. Agricultural Eng. Res. 47, pp. 235-248, 1990] o bien el empleo de filtros, precipitadores electrostáticos [Veenhuizen M. A. & Bundy D. S., ASAE paper nº 904066, 1990] y ciclones [Frank T. H., Wassen E., Yu Q., CD-Rom Proceedings of the 3rd International Conference on Multiphase Flow, paper nº 217, pp.1-8, 1998; Ogawa A., Sugiyama K. & Nagasaki K., Filtech Conference, pp. 627-640, 1993].
Sin embargo, estos métodos de separación de partículas solamente son útiles en situaciones muy particulares y específicas, disminuyendo su rendimiento ante pequeñas desviaciones de la situación óptima. Además, es evidente que el desarrollo de un prototipo de sistema para separar partículas suspendidas en un fluido supone un elevado coste económico, por lo que es básico conocer previamente los parámetros del campo de vorticidad correspondientes al rendimiento óptimo del sistema.
Hasta ahora, uno de los procedimientos que se utilizan habitualmente para encontrar el campo de verticidad óptimo de un sistema de separación de partículas en un fluido es el método de prueba y error, que implica pérdidas tanto económicas como de tiempo, sin que, además, se pueda asegurar que finalmente se encuentre dicho campo de rendimiento óptimo. Existen también algunos procedimientos de simulación, entre los que destacan los siguientes:
- Maxey M. R. [J. Fluid Mech., 174, 441-465, 1987] analizó mediante simulación numérica el movimiento de partículas de aerosol en un flujo vortical generado por modos de Fourier.
- Ruestsh G.R. & Maxey M.R. [Phys. Fluid, 3, 1587-1597, 1991] y Vincent A. & Meneguzzi M. [J. Fluid Mech., 225, 1-25, 1991] realizaron simulaciones numéricas de turbulencias.
- Squires K.D. & Eaton J.K. [J. Fluid Mech. 226, 1-35, 1991], Jiménez J., Wray A. A., Saffman P.G. & Rogallo R. S. [J. Fluid Mech., 255, 65-90, 1993], y Wang L.P. & Maxey M.R. [J. Fluid Mech., 256, 27-68, 1993] utilizaron la tradicional técnica de simulación numérica directa, más conocida por su nomenclatura en inglés "Direct Numerical Simulation".
- Yeh F. & Lei U. [Phys. Fluids, 3, 2571-2586, 1991] emplearon la técnica de Large-Eddy Simulation.
- Dávila J. & Hunt J.C.R. [J. Fluid Mech., 440, 117-145, 2001] estudiaron la sedimentación de partículas en presencia de un vórtice bidimensional y en turbulencia, comparando los resultados obtenidos mediante simulación numérica con los obtenidos mediante un análisis asintótico.
- Fung J.C.H., Hunt J.D.C., Malik N.A. & Perkind R.J. [J. Fluid Mech. 236, 281, 1992] y Malik N.A. & Vassilicos J.C. [Phys. Fluids, 11(6), 1572-1580, 1999] usaron simulaciones cinemáticas.
Sin embargo, estos procedimientos de simulación están enfocados principalmente a flujo turbulento y no reproducen correctamente la sedimentación de partículas, debido a que el tipo de estructuras vorticales que incrementan o hacen decrecer la velocidad de sedimentación promedio no están presentes en ese tipo de flujos.
Finalmente, existen estudios numéricos dirigidos a la separación de partículas, como son los de Frank T.H., Wassen E. & Yu Q. [Int. Symposium on Gas-Particle flows, ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Vancouver, BC, Cañada, June 22-26, 1997, CD-ROM Proceedings, FEDSM97-3590] o los de Cristea E.D., Maifa E. & Coghe A. [Engineering and Turbuience Modeiling and Experiments, 3, W. Rodi and G Berges (Editors), Elsevier Science B.V., 1996], estando aplicada dicha segunda referencia a ciclones.
Por tanto, de acuerdo con todo lo anterior, sería deseable el desarrollo de un procedimiento de simulación que permita seleccionar un campo de vorticidad adecuado para separar las partículas suspendidas en un fluido que permitiera obtener los parámetros de una tecnología flexible ante la variación de las condiciones de funcionamiento y que además clasificase las partículas de diferentes características suspendidas en distintos fluidos. De este modo, la simulación permite la realización de un análisis previo a la construcción de un prototipo.
Descripción de la invención
La presente invención describe un procedimiento para la simulación numérica del procedimiento de separación y clasificación de partículas suspendidas en un fluido mediante un campo de vorticidad periódico.
Una primera posibilidad es que el procedimiento de la invención se utilice para determinar el campo de vorticidad periódico óptimo para conseguir la separación de un conjunto determinado y conocido de partículas suspendidas en un fluido. En ese primer caso, el procedimiento de simulación obtendría la geometría y las condiciones iniciales del campo de vorticidad periódico a partir de una base de datos de campos de vorticidad.
En una segunda posibilidad, un usuario podría elegir la geometría y condiciones iniciales de un campo de vorticidad periódico, y utilizar el procedimiento de simulación de la invención para determinar cuáles serían los efectos de ese campo de vorticidad periódico específico sobre un conjunto de partículas conocido con unas condiciones iniciales determinadas.
En cualquier caso, el objetivo se consigue implementando en un procedimiento para seleccionar un campo de vorticidad periódico óptimo para separar partículas suspendidas en un fluido que comprende las siguientes operaciones:
1) Obtener las condiciones iniciales de las partículas suspendidas en el fluido.
De acuerdo con una realización particular de la invención, las condiciones iniciales de las partículas suspendidas en el fluido comprenden al menos uno de los parámetros de la siguiente lista: posición inicial de las partículas Y [], la velocidad terminal de caída en fluido en reposo (Vt), número de Stokes (St), número de partes en que se divide la longitud del conjunto de las partículas (M), y longitud en la que se toma el conjunto de partículas (L).
2) Obtener la geometría y las condiciones iniciales del campo... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Procedimiento implementado en un ordenador para simular un campo de vorticidad periódico para separar y/o clasificar partículas suspendidas en un fluido, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:
- obtener las condiciones iniciales de las partículas suspendidas en el fluido;
- obtener la geometría y las condiciones iniciales del campo de vorticidad periódico;
- introducir los datos obtenidos en los pasos anteriores en el ordenador;
- calcular, haciendo uso del ordenador, al menos un patrón de comportamiento del campo de vorticidad periódico, a partir de la geometría y las condiciones iniciales obtenidas para dicho campo mediante el uso de modelos matemáticos; y
- calcular, haciendo uso del ordenador, un patrón de comportamiento de las partículas a partir de las condiciones iniciales de dichas partículas y del patrón de comportamiento del campo de vorticidad periódico donde dicho patrón de comportamiento de las partículas comprende un conjunto de ecuaciones representativo del movimiento de las partículas, para ello se realizan los siguientes pasos:
- introducir el campo de velocidades del campo de vorticidad en al menos una de las ecuaciones del conjunto de ecuaciones representativo del movimiento de las partículas; y
- obtener la posición de las partículas en cada instante mediante integración del resultado del paso anterior haciendo uso del ordenador.
2. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las condiciones iniciales de las partículas suspendidas en el fluido comprenden al menos uno de los parámetros de la siguiente lista: posición inicial de las partículas, velocidad terminal de caída en fluido en reposo, número de Stokes, número de partes en que se divide la longitud del conjunto de las partículas y longitud en la que se toma el conjunto de partículas.
3. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la geometría del campo de vorticidad periódico comprende un conjunto de cilindros o conos de ejes paralelos que giran alrededor de dichos ejes.
4. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque los ejes de los cilindros o conos son horizontales.
5. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque los ejes de los cilindros o conos están inclinados con respecto a la horizontal un ángulo de entre 0º y 30º.
6. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-5, caracterizado porque todos los cilindros o conos giran en el mismo sentido.
7. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-5, caracterizado porque los cilindros o conos tienen sentidos de giro alternados uno a uno.
8. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-5, caracterizado porque los cilindros o conos tienen sentidos de giro alternados dos a dos.
9. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-8, caracterizado porque las condiciones iniciales del campo de vorticidad periódico comprenden al menos uno de los parámetros de la siguiente lista: radio del vórtice y un valor proporcional de la velocidad angular del vórtice.
10. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el patrón de comportamiento del campo de vorticidad periódico se calcula de acuerdo con uno de los modelos de la siguiente lista: Rankine, Lamb-Oseen, Vatistas y Kaufmann.
11. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el patrón de comportamiento de las partículas comprende la posición de las partículas en cada instante de tiempo.
12. Procedimiento para simular un campo de vorticidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende la operación adicional de mostrar el patrón de comportamiento de las partículas para determinar:
13. Procedimiento para simular un campo de verticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque se muestra la trayectoria de las partículas y/o la velocidad media de sedimentación de las partículas.
14. Procedimiento para simular un campo de vorticidad periódico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende la operación adicional de determinar, a partir del patrón de comportamiento de las partículas, el campo de vorticidad óptimo para separar las partículas en función del tamaño o granulometría de las mismas.
15. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa para provocar que un sistema de computación realice el procedimiento de simulación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
16. Programa de ordenador según la reivindicación 15, caracterizado porque está almacenado en unos medios de grabación.
17. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque es portado por una señal portadora eléctrica.
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