estudio experimental de un flujo …somim.org.mx/memorias/memorias2013/pdfs/a5/a5_21.pdf · ai...
Post on 21-Sep-2018
221 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UN FLUJO TURBULENTO DE AGUA
ADICIONÁNDOLE BURBUJAS Y SURFACTANTES
1López-Aguado Montes José Luis, 2Alonzo García Alejandro, 3Jiménez Bernal José Alfredo, 4Gutiérrez Torres
Claudia del Carmen
Instituto Politécnico Nacional LABINTHAP – SEPI – ESIME
Av. Instituto Politécnico Nacional S/N, Edif. 5, 3er Piso
Col. Lindavista, C.P. 07738, D. F. México.
Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada
pepe07245@hotmail.com, alejandro_1980@hotmail.com, jjimenezb@ipn.mx, cgutierrezt@ipn.mx,
RESUMEN.
En este artículo, se usó la técnica velocimetría
de imagen de partículas (PIV) para medir las
componentes de la velocidad en dirección nor-
mal y tangente a la pared de un canal (2cm x
10cm x 160cm), así como la reducción del arras-
tre al combinar un surfactante catiónico
(Champú sin sulfato) en concentraciones de 164,
545, 818 y 1090 ppm con burbujas (inyectadas
por electrólisis) en un flujo de agua con un
número de Reynolds (Re) de 5200. Se obtuvieron
incrementos en los niveles de reducción del
arrastre al combinar ambas técnicas (burbujas y
surfactantes) mayores que las reducciones del
arrastre obtenidas de forma independiente.
ABSTRACT.
In this paper, particle image velocimetry (PIV)
has been used for measurements of the velocity
components in the streamwise and normal
direction to the wall as well as drag reduction
with a combination of cationic surfactant
(shampoo free sulphate) with concentrations of
164, 545, 818 and 1090 ppm and bubbles
(obtained by electrolysis) in a turbulent channel
flow at a Reynolds number (Re) of 5200. These
increased levels of drag reduction with combined
drag-reducing methods were often larger than
the drag reductions obtained by the independent
methods.
NOMENCLATURA
SÍMBOLO UNIDADES.
A Área transversal del
canal
[m2]
d Diámetro de la
microburbujas [m]
DHidraulico Diámetro
Hidráulico del canal
[m]
DR% Porcentaje de
reducción del
arrastre
[%]
du/dy Gradiente de
velocidad con
respecto a la
distancia de la
pared
[1/s]
fpx equivalente de un
pixel en milímetros
[mm]
g Aceleración debido
a la gravedad
[m/s2]
mJ milijoules [mJ]
IAI Tamaño del área de
interrogación
[pix]
mm milímetros [mm]
ppm Partes por millón [--]
PIV Velocimetría de
imagen de
partículas
[--]
pix pixeles [pix]
Q Caudal o flujo
volumétrico
[m3/s]
Re Número de
Reynolds
[--]
surf 164 Surfactante en
concentración de
164 ppm
[--]
surf 545 Surfactante en
concentración de
545 ppm
[--]
surf 818 Surfactante en
concentración de
818 ppm
[--]
surf 1090 Surfactante en
concentración de
1090 ppm
[--]
surfburb
164
Combinación
surfactante-burbuja
para una
[--]
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1295 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
concentración de
164ppm
surfburb
545
Combinación
surfactante-burbuja
para una
concentración de
545 ppm
[--]
surfburb
818
Combinación
surfactante-burbuja
para una
concentración de
818 ppm
[--]
surfburb
1090
Combinación
surfactante-burbuja
para una
concentración de
1090 ppm
[--]
surfburb Combinación
surfactante-burbuja
[--]
tajuste Tiempo entre
fotografías [
s]
u+
Velocidad
adimensional en
dirección del flujo
[--]
u Velocidad de
fricción
[--]
upromedio Valor promedio de
la velocidad en
dirección al flujo
con respecto al
tiempo
[m/s]
Umax Velocidad máxima
del flujo
[m/s]
x Coordenada
horizontal de
posición
[m]
y Coordenada vertical
de posición
[m]
y+
Distancia
adimensional en la
coordenada vertical
[--]
ALF.GRIEGO UNIDADES
Viscosidad
dinámica [N.s/m
2]
µm micras [
s]
m nanometros [m]
s nanosegundos [s]
Densidad [Kg/m3]
aditivo Esfuerzo de corte
en el flujo con
aditivos
[N/m2]
agua Esfuerzo de corte [N/m2]
en el flujo sin
aditivos
pared Esfuerzo de corte
en la pared
[N/m2]
INTRODUCCIÓN
La turbulencia es un fenómeno físico que tiene
una gran aplicación en la ingeniería mecánica.
Esto se debe a que los fluidos tienen un
comportamiento turbulento en más del 90% de
las aplicaciones industriales. La turbulencia se
define como el movimiento caótico de un fluido
en las direcciones “x”, “y” y “z” que varía con el
tiempo y también se caracteriza por fluctuaciones
aleatorias y rápidas de regiones giratorias del
fluido, llamadas remolinos, a través del flujo; por
lo que su análisis es extremadamente complicado
y a pesar de las innumerables investigaciones
realizadas, la teoría del flujo turbulento aún no se
conoce totalmente. La principal limitante que se
tiene en un estudio teórico es el hecho de que
siempre se tienen más incógnitas que ecuaciones
(closure problem). Por otra parte, los estudios
experimentales se enfocan en la medición de
diferentes características del fluido, entre los que
se tienen: campos de velocidad, esfuerzos
cortantes y de Reynolds, vorticidad, enstrofía,
etc[1].
Es aventurado tratar de definir el concepto de
flujo turbulento, pero se pueden describir sus
características más notorias es decir, aunque sus
características son impredecibles en detalle, sus
propiedades pueden ser evaluadas a lo largo del
tiempo empleando técnicas estadísticas [2].
Debido a la complejidad de la turbulencia, los
estudios experimentales se enfrentan a diferentes
limitantes dependiendo de la técnica de medición
empleada. La mayoría de las técnicas empleadas
son técnicas puntuales, esto limita la información
espacial (hilo caliente, láser Doppler). Esta
limitante se ve superada en parte por el PIV, la
cual permite visualizar las diferentes estructuras
que se tienen en un flujo turbulento en el espacio
y en el tiempo. Por otra parte, el estudio de los
flujos turbulentos se enfoca en una región muy
delgada conocida como capa límite turbulenta, el
principal obstáculo para obtener la información
completa de la misma es en ocasiones el tamaño
de la sonda (en el caso de hilo caliente) y en
otros casos la dificultad para realizar el montaje
(láser Doppler) [3].
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1296 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
El flujo turbulento en un canal es un problema de
considerable interés y que ha sido estudiado
experimentalmente por más de un siglo desde el
experimento clásico de Osborne Reynolds en
1880, en el cual se utilizó un tinte para visualizar
el flujo en un tubo [4]. En los últimos 15-20 años
avances en la tecnología han dado el uso de más
recursos cuantitativos en la medición del flujo.
Uno de tales avances es el PIV. Pavelyev
también estudió el flujo turbulento en un canal,
en donde reconoció los avances en las técnicas
de medición y analizó el problema de
inestabilidad en un flujo turbulento [6]. En
general, dentro de un flujo laminar las partículas
del fluido se mueven en línea recta y un simple
análisis matemático es posible. En contraste, las
trayectorias de las partículas en un flujo
turbulento son completamente irregulares y el
análisis matemático es sumamente complicado,
entonces las técnicas experimentales son
frecuentemente usadas. En un estudio de
Kameneva fue encontrado que cuando un flujo
de sangre es turbulento el rompimiento de las
células de sangre es notable en comparación a lo
que sucede cuando el flujo se encuentra bajo las
condiciones de un flujo laminar [6].
PIV es una técnica empleada para obtener
campos instantáneos de velocidad. Esto es
basado en la ecuación;
tiempo
distanciaVelocidad = (1)
En PIV se mide la distancia recorrida por un
grupo de partículas en el flujo en un intervalo de
tiempo conocido. Éstas son conocidas como
semillas o trazadores y son mezcladas
homogéneamente con el flujo. Diferentes tipos
de partículas son usadas dependiendo de la
naturaleza del flujo que va a ser investigado, las
cuales deben tener la capacidad de seguir las
líneas de trayectoria en el flujo para que sus
movimientos sean representativos en el flujo, y
esto exige que su densidad sea igual a la
densidad del fluido (de modo que sean
neutralmente flotantes) las partículas son tan
pequeñas que sus movimientos relativos al fluido
serán insignificantes. Durante la aplicación de
esta técnica es necesario que el área que se desea
investigar en el flujo sea iluminada por una hoja
de luz, la cual es usualmente generada por un
láser y un sistema de componentes ópticos. El
láser empleado con mayor frecuencia en sistemas
PIV es pulsante (no continuo) y se utiliza para
producir un efecto estroboscópico, congelando el
movimiento de las partículas. El tiempo entre los
pulsos de luz es el denominador en la ecuación
(1) [7]. La cámara empleada en este experimento
es Megaplus ES 1.0, la cual puede capturar 30
imágenes por segundo, con una resolución de
1008 x 1018 pix. El láser empleado es un
Nd:YAG, el cual produce a través de un arreglo
óptico una hoja de luz con una longitud de 532
nm (color verde) y una energía por pulso de 32
mJ (ver Figura 1).
Por otro lado, un fenómeno que tiene mucha
importancia en los flujos turbulentos sobre todo
en vehículos que se mueven a través de ellos, es
la fuerza de arrastre la cual se define como la
fuerza neta ejercida de un fluido sobre un cuerpo
en la dirección de flujo debida a los efectos
combinados de la fricción y la presión.
El arrastre debido a la fricción es la componente
de la fuerza de arrastre en la dirección del flujo,
por lo tanto depende del esfuerzo de corte en la
pared. El arrastre debido a fricción es cero para
una superficie plana normal al flujo, y máximo
para una superficie plana paralela al flujo, ya que
el arrastre debido a fricción en este caso es igual
a la fuerza de fricción total sobre la superficie
[8].
El arrastre juega un papel fundamental en los
flujos internos (tuberías, canales) por esta razón
las investigaciones y los métodos para reducirlo
se realizan desde los años 50 y a pesar de esta
gran historia muchos aspectos del problema
permanecen sin entenderse [9].
Figura 1 fotografía Instalación experimental
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1297 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
La presencia del arrastre provoca una
degradación de energía en varias aplicaciones de
la ingeniería tales como transporte de petróleo en
ductos, máquinas hidráulicas, y aplicaciones
marinas etc. La reducción del arrastre puede
tener beneficios ambientales y económicos que
pueden ser materializados en ahorro de dinero
[10].
Por otro lado, la producción y la forma en que se
usa energía generan un impacto ambiental en
todas las escalas, amenazando el desarrollo en el
futuro. La abundancia de energía, la falta de
conciencia sobre el impacto de su uso en el am-
biente, han facilitado por un lado, actividades
humanas, comerciales e industriales de consumo
intensivo e ineficiente de energía y por el otro, el
crecimiento desordenado de las ciudades, que
hoy en día son verdaderas máquinas de consumir
energía y producir enormes cantidades de resi-
duos que están devorando el medio natural.
Gran cantidad de sistemas se diseñan para
transportar un fluido de un lugar a otro con un
gasto, una velocidad y una diferencia de
elevación especificados, y durante este proceso
el sistema puede generar trabajo mecánico en un
turbina o puede consumir este tipo de trabajo en
una bomba o en un ventilador.
En estos sistemas no interviene la transformación
de energía nuclear, química o térmica en energía
mecánica. Así mismo, no incluye transferencia
de calor en cualquier cantidad significativa y, en
esencia, operan a temperatura constante. Los
sistemas de este tipo se pueden analizar de
manera conveniente, cuando se consideran sólo
las formas mecánicas de energía y los efectos de
fricción que hacen que se pierda la energía
mecánica (es decir, que se convierta en energía
térmica que suele no poder usarse para algún
propósito útil) [11].
Datos revelados por Wood indican que
aproximadamente el 25% de la energía
consumida en los Estados Unidos se usa para
vencer el arrastre. De la cual, el 16% recae en los
diferentes medios de transporte (vehículos
terrestres, marítimos y aéreos) [12], y el 9%
restante está relacionado con el consumo
eléctrico de los equipos de bombeo industriales y
residenciales. Es por eso que la implementación
de tecnologías de reducción del arrastre a los
distintos medios de transporte o sistemas de
bombeo, representan ahorros de miles de
millones de dólares anuales, y por ende, siendo
que el tema de la reducción del arrastre
turbulento no es nuevo, ha retomado un nuevo
auge mundial debido a la gran cantidad de dinero
que podría ser ahorrado.
DESARROLLO
Se determinaron los perfiles de velocidad
promedio en unidades del Sistema Internacional
y en unidades de la pared, así como la reducción
del arrastre y campos de vorticidad promedio
(adimensionalizada al multiplicarla por el
DHidráulico y dividirla por la upromedio) en un flujo
turbulento de agua para un número de Reynolds
Re = 5200 (el Re se obtuvo de las ecuaciones 2 y
3) adicionándole burbujas (que fueron
producidas por electrólisis y el conductor
eléctrico fue un delgado cable de cobre de 100
m de diámetro, alimentado por una fuente de
voltaje de 20 Volts de corriente directa. La
potencia suministrada al circuito se fijó en un
valor máximo de 0.354W, para evitar que los
efectos de la corrosión en el cátodo sean
considerables. El diámetro promedio de las
microburbujas de hidrógeno obtenidas de
aproximadamente 10 m ), surfactantes (champú
sin sulfato) y su combinación, para lo cual se
seleccionó el plano central horizontal de la zona
de pruebas 3 del canal que se muestra en la
Figura2.
upromedio = Q/A = 0.125m/s (2)
5200Re
HidraulicopromedioxDxu (3)
En la Figura 3. Se puede apreciar la matriz de
pruebas en la cual se indica que primero se
trabajó con agua (sin agentes externos) después
se agregaron burbujas (d = 10µm) y surfactantes
(champú sin sulfato) en concentraciones de 164,
Figura 2 Instalación experimental
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1298 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
545, 818 y 1090 ppm de forma independiente y
por último se hizo la combinación de ambas
técnicas.
Para estos experimentos se empleó la técnica de
velocimetría de imagen de partículas (PIV), la
cual consiste en tomar pares de fotografías a lo
largo del tiempo a la zona de pruebas (en este
caso la zona de pruebas 3) posteriormente son
correlacionadas por el software flow manager
para generar los campos de velocidad
instantánea, y el tiempo empleado entre
fotografías (tajuste) fue calculado con la distancia
del punto A (130 pix) al punto B (790 pix) del
escalón de la zona de pruebas 1 que es mostrado
en la Figura 4.
La distancia A-B es de 1cm, por lo tanto se hace
el siguiente cálculo:
10mm = 660pix
1mm =X =66pix
)u(x)f(
)I(x)25.0(x10x1=t
promediopx
AI6ajuste (4)
Donde: IAI es el tamaño del área de interrogación,
fpx es el equivalente de un pixel en milímetros,
upromedio es la velocidad promedio del flujo y el
0.25 es la distancia mínima que debe de recorrer
una partícula del área de interrogación.
Se sustituye en la ecuación (4)
ssegmx
pixxmxxxt
pxajuste 1100
)/125.0()66(
)32()001.0()25.0(101 6
De esta manera se determinó que el tiempo entre
fotografías debe ser de 1100µs. En la Figura 5 se
puede observar una fotografía de la zona de
pruebas 3.
El campo de velocidad promedio presentado en
la Figura 6 está promediado únicamente con
respecto al tiempo y en la Figura 7 se presenta
una pequeña sección (4 x 4 mm) de este mismo
campo de velocidades con la intención de que se
puedan apreciar mejor los vectores de velocidad
y en la Figura 8 se muestra promediado no úni-
camente con respecto al tiempo sino también con
respecto al espacio dando como resultado perfi-
les de velocidad promedio en la región de flujo
completamente desarrollado (zona de pruebas 3)
promediados temporalmente y espacialmente
para cada condición de trabajo.
Figura. 3 Matriz de pruebas.
Figura. 4 fotografía zona de pruebas 1
Figura.5 fotografía zona de pruebas 3
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1299 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
Es evidente que la velocidad aumenta o disminu-
ye dependiendo la condición de trabajo. Toman-
do como parámetro a la velocidad en el centro
del canal, la cual es la velocidad máxima (Umax)
que se puede alcanzar. Entonces, cuando se tra-
bajó únicamente con surfactantes la Umax au-
mentó 36.55, 30.79, 32.29 y 34.94 % para las
concentraciones de 164, 545, 818 y 1090 ppm
respectivamente. En el caso de las burbujas se
tiene un aumento del 33.76% y en la combina-
ción del surfactante (champú sin sulfato) con
burbujas se tienen aumentos considerables de
32.48, 32.71, 29.43 y 29.65 % para 164, 545,
818 y 1090 ppm respectivamente como queda
ilustrado en la Figura 9.
Figura 8 Perfiles de velocidad promedio en la zona de flujo
completamente desarrollado (zona de pruebas 3).
Figura 9 Variación de Umax para cada condición de trabajo
También se calcularon los esfuerzos de corte en
la pared y la velocidad de fricción para cada
condición sustituyendo los valores obtenidos de
los perfiles de velocidad en las ecuaciones 5 y 6.
pared
pareddy
du (5)
Donde µ es la viscosidad absoluta del agua (1cp),
du/dy es el gradiente de la velocidad con respec-
to a la distancia de la pared.
pared=u (6)
Donde es la densidad del solvente (agua).
Sustituyendo en la ecuación 7 el esfuerzo de
corte de la pared del agua con y sin aditivos se
obtienen los porcentajes de reducción del arras-
tre.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 180
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
X(mm)
Y(m
m)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 180
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
X(mm)
Y(m
m)
05
10
15
20
0 50 100 150 200 250
Y(m
m)
U (mm/s)
Perfiles de Velocidad Promedio
Agua
burbujas
surf 164
surf 545
surf 818
surf 1090
surfbur164
surfbur 545
surbur 818
surbur 1090
0
5
10
15
20
25
30
35
40
% V
aria
cio
n U
max
Variación de Umax
Figura.7 Campo de velocidad promedio recortado zona de pruebas 3
Figura. 6 Campo de velocidad promedio zona de
pruebas 3
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1300 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
100X_
=%DRagua
aditivoagua
(7)
En las tablas 1 y 2 se muestran los valores de los
esfuerzos de corte, las velocidades de fricción y
los porcentajes de reducción del arrastre para
cada condición. En las cuales se muestra una
reducción del arrastre de 69.12% para burbujas,
para los surfactantes (champú sin sulfato) se
obtuvieron reducciones del arrastre para 164,
545, 818 y 1090 ppm de 11.47, 8.33, 14.86 y
49.32 % respectivamente, y en el caso donde se
combinaron ambas técnicas se tuvieron las ma-
yores reducciones del arrastre de 37.36, 76.78,
38.75 y 38.78% para 164, 545, 818 y 1090 ppm,
lo anterior queda ilustrado en la Figura 10. Sin
embargo, algo que llama fuertemente la atención
es lo que sucedió con la vorticidad promedio. En
la Figura 12, se ilustra el campo de vorticidad
promedio (adimensionalizada al multiplicarla por
el DHidraulico y dividirla por la upromedio) para la
condición sin agentes reductores del arrastre y
las condiciones donde se adicionó únicamente
surfactantes (champú sin sulfato) para 164, 545,
818 y 1090 ppm. En donde se ve que la vortici-
dad promedio aumenta considerablemente de 2 a
3 veces en la zona cercana de la pared para todas
las condiciones. Ahora en la Figura 13. Se puede
apreciar los campos de vorticidad promedio
(adimensionalizada al multiplicarla por el DHidrau-
lico y dividirla por la upromedio) para las condicio-
nes donde se adicionó burbujas y para las combi-
naciones burbujas y surfactantes (champú sin
sulfato) para las concentraciones de 164, 545,
818 y 1090 ppm, la vorticidad aumento de 3 a 4
veces.
Tabla 1.Valores del esfuerzo de corte, velocidad
de fricción y reducción del arrastre para burbu-
jas y surfactantes
(N/m2)
u*
(m/s) DR (%)
Agua 0.0914 0.0096 -
Burbujas 0.0282 0.0053 69.12
Surfactante(164ppm) 0.0809 0.0089 11.47
Surfactante(545ppm) 0.0838 0.0091 8.33
Surfactante(818ppm) 0.0778 0.0088 14.86
Surfactante(1090ppm) 0.0463 0.0068 49.32
Tabla 2.Valores del esfuerzo de corte, velocidad
de fricción y reducción del arrastre para las
combinaciones burbujas y surfactante
(N/m2)
u*
(m/s) DR (%)
Agua 0.0914 0.0096 -
Burbujas 0.0282 0.0053 69.12
SurfBurb(164ppm) 0.0573 0.0075 37.36
SurfBurb(545ppm) 0.0212 0.0046 76.78
SurfBurb(818ppm) 0.0560 0.0075 38.75
SurfBurb(1090ppm) 0.0559 0.0075 38.78
Figura. 10 Variación de la reducción del arrastre en
porcentajes para cada condición de trabajo
Sin embargo, siempre es importante
adimensionalizar con la finalidad de poder
comparar los resultados, lo cual se hizo
sustituyendo los valores de velocidad y distancia
con respecto a la pared en las ecuaciones 7 y 8.
u
u=u +
(7)
yu=y+ (8)
En la Figura 11. Se muestran los perfiles en
unidades de la pared, los perfiles que están deba-
jo del perfil de agua indican que el arrastre au-
menta y arriba que disminuye.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
%D
R
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1301 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
Figura. 11 Perfiles velocidad en unidades de la pared
Figura 12 Campos de vorticidad (adimensionalizada al
multiplicarla por el DHidraulico y dividirla por la upromedio) para
agua y surfactantes (champú sin sulfato) (164,545, 818 y
1090)
Figura 13 Campos de vorticidad (adimensionalizada al
multiplicarla por el DHidraulico y dividirla por la upromedio) para
burbujas y bubujas-surfactantes (164, 545, 818 y 1090 ppm)
CONCLUSIONES
Se determinaron los perfiles de velocidad pro-
medio y también los campos de vorticidad pro-
medio (adimensionalizada al multiplicarla por el
DHidraulico y dividirla por la upromedio) para cada
condición, en donde se observó que al adicionar
reductores del arrastre la velocidad y la vortici-
dad no tienen una tendencia como quedó demos-
trado en las gráficas de variación de velocidad
máxima y en los campos de vorticidad, al adicio-
nar los agentes reductores del arrastre tanto bur-
bujas, surfactantes (champú sin sulfato) y su
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 10 100
U+
Y+
PERFILES DE VELOCIDAD EN UNIDADES DE LA PARED Ley de la pared
Ley logaritmica
Agua
Burbujas
surf 164
surf 545
surf 818
surf 1090
surfburb 164
surfburb 545
surfburb 818
surfburb 1090
2 4 6 8 10 12 14 16
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
X(mm)
y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (Agua)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (Surf164)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surf545)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surf818)
X(mm)
Y(m
m)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surf1090)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surf818)
X(mm)
Y(m
m)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (Burbujas)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surfburb 164)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surfburb 545)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
X(mm)
Y(m
m)
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surfburb 818)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surfburb 1090)
X(mm)Y
(m
m)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
2 4 6 8 10 12 14 16
5
10
15
20
Campo de Vorticidad Promedio Adimensionalizada (surf818)
X(mm)
Y(m
m)
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1302 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO
combinación se aumentó la velocidad considera-
blemente de 30% a 35%, mientras la vorticidad
(adimensionalizada al multiplicarla por el DHidrau-
lico y dividirla por la upromedio) aumentó de 2 o 3
veces adicionando únicamente surfactantes
(champú sin sulfato) y cuando se uso burbujas o
sus combinaciones con las diferentes concentra-
ciones (164, 545, 818 y 1090 ppm) de surfactante
(champú sin sulfato) aumentó de 2 a 4 veces.
Cuando se utilizaron únicamente burbujas se
tuvo un aumento considerable en en la reducción
del arrastre del 70% y en la mezcla burbujas y
surfactantes (champú sin sulfato) se tuvieron los
mejores resultados en la reducción del arrastre
del 77% para la concentración de 545 ppm , por
lo que se llega a la conclusión de que hubo un
beneficio sinérgico al combinar ambas técnicas
para esta concentración, el cual consiste de que
el surfactante (champú sin sulfato) rompe la
tensión superficial y esto facilita que la inyección
de las burbujas se lleva a cabo en la subcapa de
amortiguamiento y a su vez las burbujas contri-
buyen a que las miscelas formadas por los sur-
factantes (champú sin sulfato) se transporten de
forma ordenada en una zona cercana a la pared,
por lo tanto ambas técnicas se ayudan . Pero es
necesario hacer un estudio energético ya que se
debe considerar que el adicionar burbujas (in-
yectadas por electrólisis) y surfactantes (champú
sin sulfato) consume una energía mayor que el
adicionar sólo uno y habrá que ver sí se ahorra
más energía que la que se consume, cuando se
usan ambas técnicas.
REFERENCIAS
(1) Peralta R. “Fluidos Apellido de Líquidos y
Gases” primera edición, México DF, Fondo de
cultura económica (2003).
(2) Van Dyke M. “An Album of Fluid Motion”
décima edición, Michigan, Cambridge (2005).
(3) Tsinober A. “An Informal Introduction to
Turbulence” primera edición, New York,
Springer Verlang (2001).
(4) Samimy M., Breuer K.S, Leal L.G and Steen
P.H. “A Gallery of Fluid Motion” primera
edición, New York, Cambridge (2003).
(5) Cengel Y. “Mecànica de Fluidos” primera
edición, New York, McGrawHil,l (2006).
(6) White F. “Viscous Fluid Flow” tercera
edición, New York, McGrawHill, (2006)
(7) Mathieu J. “An Introduction to Turbulent
Flow” primera edición, New York, Cambridge,
(2000).
(8) Cengel Y; Cimbala M. (2006) “Mecánica de
fluidos, fundamentos y aplicaciones” Mc Graw
Hill.
(9) Stephen B. Pope (2000) “Turbulent Flow”
Cambridge
(10) J.A. Jimenez-Bernal Y.A. Hassan, C.del C.
Gutierrez-Torres, C. Estrada-Perez. (2003)
“Spectral dynamics of Drag reduction by
microbubbles” Texas A&M University Nuclear
Engineering Department
(11) White M. (2008) “Fluid Mechanics”.6TH
Edición, Ed. Prentice Hall . Ch. 7. P.P. 483-486.
(12) Wood M. (2004) “Impact of advanced aero-
dynamic technology on transport energy con-
sumption”. S.A.E
ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 1303 Derechos Reservados © 2013, SOMIM
top related