Análisis Fluido Dinámico Computacional de un mezclador estático para combustible de aviación JET A-1 y Biodiesel

Abstract

El uso de combustibles fósiles en la aeronáutica contribuye al 30% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Para reducir la contaminación, se debe evaluar el uso de biocombustibles como aditivos en mezclas con JET A-1. Sin embargo, el proceso de mezclado tradicional no es apropiado debido a la posible formación de ceras y la precipitación de elementos. Por lo tanto, se propone un sistema continuo de mezclado estático para encontrar el mejor arreglo en mezclas de JET-A1 y Biodiesel. Los mezcladores estáticos son económicos y se utilizan comúnmente en la industria. En este trabajo, se estudiaron diferentes tipos de mezcladores y técnicas de evaluación para encontrar el arreglo óptimo en condiciones de flujo turbulento. En esta investigación, se empleó la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) para identificar el tipo de mezclador ideal para llevar a cabo el proceso de mezclado. Se utilizaron herramientas de análisis, como FENICS® y ANSYS Fluent®, para evaluar cada una de las alternativas propuestas. Primero, se analizó la geometría en 2D y 3D de un mezclador estático, a partir de las condiciones de contorno y de la geometría de los álabes, el diámetro y longitud del tubo y la composición de los combustibles puros a la entrada. Se evaluó el comportamiento fluidodinámico mediante el análisis de momento, transferencia de calor y masa, verificando el grado de homogeneización de la mezcla obtenida a la salida del mezclador estático. Se cuantificó la caída de presión generada y se utilizó un parámetro adimensional llamado el Número J, como indicador del grado de homogeneización de la mezcla final resultante.

The use of fossil fuels in aeronautics contributes to 30% of global greenhouse gas emissions. To reduce contamination, the use of biofuels as additives in blends with JETA-1 should be evaluated. However, the traditional mixing process is not suitable due to the possible formation of waxes and the precipitation of elements. Therefore, a continuous static mixing system is proposed to find the best arrangement in mixtures of JET-A1 and Biodiesel. Static mixers are inexpensive and are used in industry. In this work, different types of mixers and evaluation techniques were studied to find the optimal arrangement under turbulent flow conditions. In this investigation, Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to identify the ideal type of mixer to carry out the mixing process. Analysis tools, such as FENICS® and ANSYS Fluent®, were used to evaluate each of the proposed alternatives. First, the 2D and 3D geometry of a static mixer was analyzed, based on the boundary conditions and the geometry of the blades, the diameter and length of the tube, and the composition of the pure fuels at the inlet. The fluid dynamic behavior was evaluated through the analysis of momentum, heat and mass transfer, verifying the degree of homogenization of the mixture obtained at the outlet of the static mixer. The pressure drop generated was quantified and a dimensionless parameter called the J number was used as an indicator of the degree of homogenization of the resulting final mixture.