Defensa de la tesis de Mustafa Ishak BENZAZA

La contaminación atmosférica por partículas supone un importante problema sanitario y medioambiental al que se enfrentan directamente numerosos sectores industriales. El separador ciclónico constituye una solución de descontaminación muy extendida en los sectores industriales, gracias a su bajo coste de mantenimiento y a la ausencia de piezas móviles. Sin embargo, su rendimiento sigue siendo limitado para la captura de partículas de diámetro inferior a 5 µm, y la pérdida de carga sigue siendo elevada con caudales importantes.

Este trabajo, llevado a cabo en colaboración con Stivent Industrie, tiene como objetivo mejorar simultáneamente la eficacia de separación y reducir la pérdida de carga de un separador ciclónico industrial, mediante el desarrollo de una herramienta de simulación CFD en OpenFOAM y la evaluación de soluciones de control pasivo.

La metodología numérica se basa en un modelo híbrido de turbulencia S-A DES, elegido por su capacidad para capturar las estructuras vorticiales del flujo ciclónico. Una aportación original se centra en la imposición de una condición de contorno de presión de tipo «fixedMean» en la salida, lo que permite restringir globalmente el flujo vorticial confinado. La validación se lleva a cabo mediante la comparación con simulaciones LES y datos experimentales de velocimetría láser Doppler (LDA) de la bibliografía, con un buen acuerdo en los perfiles de velocidad y la pérdida de carga.

Una campaña de ensayos experimentales en el separador a escala industrial ha permitido una validación complementaria del modelo. El banco de pruebas incluye un micromanómetro diferencial, una sonda de cinco orificios para la caracterización aerodinámica tridimensional y una sonda isocinética acoplada a un contador óptico de partículas OPS 3330 para el análisis granulométrico aguas arriba y aguas abajo del ciclón.

A continuación, se evaluaron cuatro soluciones de control pasivo. El Vortex Breaker reduce la pérdida de carga en un 60 %, a costa de la eficacia de filtración. El reciclaje por canales aumenta la eficacia de separación en un 70 % para las PM1,0 y en un 89 % para las PM2,5, a costa de un incremento de la pérdida de carga del 29 %. El Deswirler empeora simultáneamente ambos criterios, aunque produce un flujo uniforme en la salida. El Twist mantiene la eficacia al tiempo que reduce la pérdida de carga en un 6 %.

Estos resultados ponen de manifiesto un compromiso fundamental entre la eficacia de separación y el rendimiento energético, ya que las soluciones propuestas ofrecen estrategias de adaptación a las limitaciones operativas industriales específicas.

Ponentes

• François-Xavier DEMOULIN, catedrático, Universidad de Ruán-Normandía
• Gontrand LEYSSANS, catedrático, Universidad de Alta Alsacia

Examinadores

• Bénédicte CUENOT, habilitada para dirigir investigaciones / Ingeniera experta, Safran Aircraft Engines
• Denis PETITPREZ, catedrático, Universidad de Lille

Directora de tesis

• Céline MORIN, Profesora universitaria, INSA Hauts-de-France

Codirectores

• François BEAUBERT, Profesor titular, INSA Hauts-de-France
• Damien MÉRESSE, profesor titular HDR, INSA Hauts-de-France
• David UYSTEPRUYST, profesor titular, INSA Hauts-de-France

Invitados

• Philippe BECEL, director general de STIVENT INDUSTRIE
• Bertrand CANAPLE, director general de VALUTEC

Separador ciclónico, simulación CFD, OpenFOAM, modelo LES/RANS, flujo turbulento, transporte de partículas (DPM), regulación pasiva, pérdida de carga, rendimiento de separación.