Simulación numérica de la vaporización explosiva de líquidos confinados de Van der Waals Público Deposited
En este trabajo de investigación se estudia mediante simulación numérica la evaporación ordinaria y la vaporización explosiva de gotas líquidas de van der Waals en equilibrio termo-mecánico bajo condiciones de microgravedad cuando éstas son sometidas a un calentamiento uniforme e instantáneo, usando el método de Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (SPH). A diferencia de modelos precedentes en la literatura, las simulaciones numéricas se realizaron con la ayuda de una versión modificada del código hidrodinámico DualSPHysics que incluye los efectos de tensión superficial, transferencia de calor, transferencia de masa a través de la interface líquido-vapor y la dinámica interfacial siguiendo como modelo termodinámico la aproximación de campo medio de van der Waals, el cual permite simular transiciones de fase de primer orden, dando lugar a un modelo de interface difusa. En comparación con otros modelos se introduce por primera vez un término no clásico en la ecuación de energía interna para la correcta descripción de la estructura de la interface líquido-vapor. Los resultados de las simulaciones para un rango amplio de temperaturas de calentamiento muestran que dependiendo de la densidad y temperatura iniciales de la gota y de la temperatura de calentamiento, las simulaciones predicen cinco regímenes distintos de evaporación: (i) evaporación de las capas superficiales de la gota por descomposición espinodal, (ii) evaporación por nucleación homogénea con la formación de una burbuja interna que se expande radialmente para luego colapsar sobre sí misma desapareciendo, (iii) fragmentación lenta por nucleación homogénea donde la burbuja se expande hasta romper la capa líquida alrededor de ella, dando lugar a un proceso de fragmentación en pequeñas gotas, las cuales permanecen en reposo o se expanden lentamente, (iv) fragmentación rápida donde los fragmentos líquidos se expanden ahora rápidamente alejándose del sitio de la fragmentación y (v) vaporización explosiva donde la burbuja formada por nucleación se expande de manera violenta. Durante este proceso la mayor parte del líquido inicial se convierte en vapor y la capa líquida alrededor de la burbuja en expansión se hace extremadamente delgada fragmentándose en gotas diminutas algunas de las cuales se evaporan durante su expansión. Para los casos donde ocurre evaporación superficial por descomposición espinodal o nucleación homogénea con la formación de una burbuja transitoria las simulaciones predicen con muy buena aproximación la ecuación de Clausius-Clapeyron para la presión de vapor como función del recíproco de la temperatura. Por otro lado, para los casos donde ocurre vaporización explosiva los modelos predicen un límite de supercalentamiento Ts ≈ 0,9893 (en unidades reducidas), que difiere del valor teórico para un fluido de van der Waals (Ts = 1, unidades reducidas) en alrededor del 1 %. En base a estos resultados se puede concluir que las simulaciones numéricas describen correctamente la dinámica de la inestabilidad interfacial y, por consiguiente, la fragmentación y vaporización explosiva de gotas líquidas en microgravedad cuando ´estas son sometidas a un calentamiento uniforme e instantáneo.
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