El presente proyecto plantea el estudio numérico y experimental de la dispersión de chorros por difusión en un sistema confinado con un arreglo de boquillas del tipo Lug-Bolt. El objetivo principal del estudio es analizar el proceso de mezclado por difusión molecular debido a que estudios en flamas difusivas (literatura abierta) muestran que la eficiencia de combustión se debe a la no homogeneidad de la química de la reacción derivada de la dispersión de las especies en la cámara de combustión. Adicionalmente, el proyecto pretende realizar trabajos futuros en la dispersión de flujos multifásicos (inyección de partículas de agua en un flujo de aire), así como el análisis de sistemas de enfriamiento mediante películas protectoras. Estos trabajos contribuirán al desarrollo de nuevas tecnologías en el diseño de reactores a alta y baja presión. Para lograr el objetivo del proyecto se plantea el desarrollo de un modelo numérico para estudiar este fenómeno y la construcción de un modelo físico para la realización de pruebas experimentales encaminadas a la validación experimental de las simulaciones. Por tal motivo, el estudio se llevará a cabo en 3 etapas principales: 1) desarrollo del modelo numérico, 2) construcción del modelo físico y 3) validación experimental de las predicciones numéricas y análisis del proceso de mezcla. El modelo numérico se desarrollará en 2 equipos de cómputo de alto rendimiento para establecer una paralelización numérica encaminada a la simulación del fenómeno con mallas refinadas y tiempos de cálculo viables. La construcción del modelo físico permitirá visualizar la dispersión de flujos y obtener el campo de velocidades con un equipo de velocimetría de imagen de partículas (PIV). Los datos experimentales validarán el modelo numérico para el desarrollo de simulaciones numéricas confiables que permitan el adecuado análisis del proceso de mezcla de especies. Las etapas 1 y 2 deben concluirse al término del primer año, mientras que la etapa 3 concluirá al final del segundo año. El estudio se llevará a cabo en la Coordinación de Ingeniería de procesos Industriales y Ambientales del Instituto de Ingeniería. Las metas que se pretenden alcanzar al término de los dos años son la publicación de un artículo en una revista internacional indizada, el desarrollo y envío de otro artículo en una revista internacional indizada, la presentación de un trabajo en un congreso nacional o internacional, la titulación de 2 estudiantes de licenciatura, la culminación de la tesis escrita de un estudiante de licenciatura y la incorporación de un estudiante de posgrado al proyecto.

El estudio de la dispersión de chorros por difusión en un arreglo de boquillas del tipo Lug Bolt permite su aplicación a fenómenos de combustión turbulenta en flamas por difusión que ocurre cuando el combustible y el comburente se mezclan en la zona de combustión. La llama por difusión presenta un rango de velocidad de reacción más elevado, de mayor longitud, con respecto a la premezclada, y es más segura porque no presenta el fenómeno de retrollama (no existe una mezcla reactiva al interior de los inyectores). La mayoría de los estudios enfocados en llamas por difusión sólo analizan la química de la combustión y no se enfocan en la dispersión de las especies. Los análisis de la zona de reacción permiten identificar que la reacción no es homogénea debido a que puede presentarse un caso donde el flujo de combustible es mayor que el de comburente (pirolisis) y otro donde la región de alta concentración de comburente se desplaza hacia el lado del combustible como lo plantean Du y Axelbaum [14]. Estos cambios de concentración ocasionan una combustión incompleta o completa, respectivamente. Por tal motivo, un estudio de la dispersión de chorros por difusión de 2 especies permitirá identificar los mecanismos relevantes en el proceso de mezcla. Esta información planteará esquemas de inyección de especies que permitan un mezclado más homogéneo para mejorar la eficiencia de combustión de las llamas por difusión. Por otra parte, un estudio que incorpore la inyección de partículas agua y la inyección de sistemas de enfriamiento mediante películas protectoras, como lo tiene contemplado el presente proyecto en trabajos futuros, permitirá el desarrollo de nuevas tecnologías como el diseño de reactores supercríticos para la generación de vapor por contacto directo con la finalidad de implementarlos en la extracción de crudo de petróleo.