Numerical simulation of the thermal and fluid dynamics behaviour of liquid-vapour two-phase flow in evaporators and condensers
Authors:   , Morales Ruíz Sergio 
Published: October 2023

Un estudio numérico del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos, liquido-gas, en conductos es presentado. El análisis numérico es basado en dos diferentes modelos. El primer modelo es conocido como quasi-homogéneo, este modelo asume el flujo bifásico como una mezcla homogénea, que esta caracterizada por un flujo másico, una presión y una temperatura de mezcla. Estas tres variables son encontradas por medio de la resolución numérica de las ecuaciones de conservación de masa, momento y energía. Las velocidades de las fases gas y liquida pueden ser evaluadas a partir del flujo másico total de mezcla y de la distribución de una de las fases en el volumen, la cual es determinada mediante expresiones empíricas. Aunque el modelo quasi-homogéneo es capaz de dar buenos resultados en diferentes aplicaciones donde el flujo bifásico esta presente, este modelo no puede dar información de cada una de las fases independientemente. Sí el modelo quasi-homogéneo es aplicado considerando las restricciones con algunos configuraciones de flujo y el hecho de no incluir los términos de intercambio a través de la interfase, este modelo es capaz de convertirse en una buena herramienta de estimación del comportamiento térmico y fluido-dinámico en diferentes sistemas térmicos, donde el flujo bifásico esta presente. El segundo modelo es conocido como dos-fluidos, este modelo permite considerar que el liquido y el gas coexisten en un mismo volumen de control y que cada una de las fases esta caracterizada por tener una velocidad y una temperatura diferente. Este modelo tiene en cuenta las interacciones entre cada una de las fases y la interfase, así es capaz de reconocer la influencia de los intercambios de masa, momento y energía a través de la interfase. El modelo de dos-fluidos necesita más información empírica que el modelo quasi-homogéneo para cerrar y resolver el sistema de ecuaciones que lo caracteriza. <br/><br/>La simulación numérica ha sido desarrollada por medio de la técnica de los volúmenes finitos basada en una integración transitoria, unidimensional o bidimensional de las ecuaciones de continuidad de masa, momento lineal y energía. La presión, las velocidades, las temperaturas y la distribución de cada una da las fases al interior del conducto son obtenidas por medio de la resolución de las ecuaciones gobernantes.<br/><br/>Un método semi-implícito basado en el conocido método de corrección de presiones para resolver fluidos en una fase SIMPLE, ha sido empleado para resolver el acoplamiento entre la presión y la velocidad. Los algoritmos de resolución para cada uno de los modelos desarrollados en esta Tesis son detallados.<br/><br/>La verificación y validación de los modelos presentados en este trabajo se han realizado contra expresiones analíticas y datos experimentales obtenidos desde la literatura técnica o mediante la infraestructura experimental del CTTC. Una comparativa de resultados entre el modelo quasi-homogéneo y el modelo de dos-fluidos para un caso unidimensional es presentado. Además, dos casos reportados en la literatura han sido usados para comparar los resultados del modelo de dos-fluidos en dos dimensiones.<br/><br/><br/>Aplicaciones de los modelos desarrollados en esta Tesis son presentados con el propósito de mostrar las posibilidades ofrecidas por ellos para mejorar el diseño de diferentes equipos térmicos y evitar condiciones de trabajo no deseadas. Un intercambiador de calor del tipo de doble tubo es analizado, observando la influencia de diferentes parámetros sobre el comportamiento térmico y fluido-dinámico. La resolución numérica de un intercambiador del tipo aleta y tubo trabajando como un evaporador o un condensador ha sido comparado con datos experimentales, llegando a obtener un buen ajuste entre ellos. Finalmente, las condiciones de trabajo de un panel solar son optimizadas mediante la simulación numérica, con el objetivo de evitar alcanzar condiciones peligrosas que produzcan daños severos a la instalación.