Simulación hidrodinámica de monolitos tipo espuma mediante la técnica de los elementos finitos

Abstract

Los monolitos tipo espuma presentan características muy favorables para aplicaciones de reactores químicos y filtros, donde se requieren muy bajas caídas de presión. Este trabajo presenta una simulación del perfil interno de velocidad y la caída de presión del flujo de un fluido (aire) a través de monolitos tipo espuma. Para ello, se planteó el modelamiento geométrico computacional en dos dimensiones de monolitos de 10 y 30 PPI (poros por pulgada lineal), mediante el uso de imágenes tomadas por tomografía de rayos X y procesadas por medio de técnicas de tratamiento digital de imágenes. Adicionalmente se plantearon modelos geométricos construidos a partir de datos estadísticos referentes a la geometría de los monolitos tipo espuma y se realizó un estudio comparativo con los resultados obtenidos con los modelos provenientes de las tomografías. Para el cálculo del perfil de velocidad y caída de presión se utilizó la ecuación de Navier- Stokes, bajo condiciones isotérmicas en ausencia de reacción química. El modelo hidrodinámico se solucionó mediante la técnica de los elementos finitos utilizando el software FEMLAB. Se obtuvieron los perfiles internos de presión y velocidad, junto con la caída de presión global, a diferentes velocidades de entrada del fluido y a diferentes porosidades del monolito. Los resultados obtenidos de la caída de presión por unidad de longitud se validaron con datos experimentales reportados en la literatura, correspondientes a estudios realizados en condiciones similares a las utilizadas en este trabajo. Los resultados muestran que la simulación bidimensional de monolitos tipo espuma de densidades de poro de 10 PPI ofrece buenas aproximaciones al comportamiento real. Sin embargo, para monolitos de densidades de poro de 30 PPI, no se obtienen resultados satisfactorios, debido a que el modelo bidimensional no logra capturar las características geométricas más influyentes en el comportamiento real.