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Vapour condensation in boundary layer flows

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Publication date
2013-09
Defense date
2013-11-19
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This thesis has two purposes. Metaphorically we can say that it works in two different scales -which, makes sense, nevertheless-. First, it deals with homogeneous vapour condensation in boundary layer flows. Boundary layer flows, as it is very well known, has the property of ubiquity. Every flow in contact with solid surfaces or even flows in mutual contact become boundary layer flows at some scale. The vapour condensation, and many other phase transition phenomena, develops intensively in that boundary layers. However, the description and modeling of homogeneous condensation has been less treated in the literature if compared with the case of heterogeneous condensation (that is, the condensation in presence of particles). A model of homogeneous vapour condensation in a boundary layer flow has been developed for the special case of stagnation-point incompressible flow near a cold wall with self-similar solution and a monodisperse distribution of resulting droplets. Complete model has been solved numerically and in addition a very good approximation to the model has been obtained by applying perturbative methods. We have extended this model in several directions: other flows admitting self-similar solutions, polydisperse distribution of droplets, mixed homogeneous and heterogeneous condensation and homogeneous condensation in counter ow boundary layers in compressible ows. In the case of mixed condensation we have showed that it is possible to tackle homogeneous and heterogenous condensation independently, in an iterative scheme. Of course, all these new directions have been treated in a less detailed form and keep open to future work. Second, the thesis has intended to bring together closely related themes that has been, however, studied separately. Then, we have widened the initial scope to other aspects a, for instance, coagulation and agglomeration of nanometric particles, thermophoresis and ice formation. Specifically, agglomeration and thermophoresis become essential in the understanding of condensation processes in combustion chambers where a very rich chemical activity is taking place, and ice formation is important if we want to extend the condensation process to atmospheric environments. The essential theme of this thesis is important in many aspects: 1. It deals with phenomena present in a wide variety of natural and industrial situations whose understanding may result in improvements of known processes or in the better forecast of some desirable or not desirable behaviors. 2. We have been forced to gather a lot of normally disperse or not directly connected information and methods that have an e ect in the comprehension and description of those phenomena. The mathematical treatment of some aspects of the problem has been undertaken in parallel with numerical simulation of some others. Therefore, a lot of work is waiting for completion or full develop. This is mainly the case of the stochastic-thermophoretic simulation of the agglomeration process of nanometric particles, that is described in appendix A, or the proposed model for the description of wedge ows near the leading edge, that ends the chapter 2. We have adopted the terms 'boundary layer flow' and 'counter flow boundary layers' for denoting the boundary layers when ocurring close to solid walls and those ocurring at the interface of two flows away from any solid surfaces, respectively. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Este trabajo de tesis tiene dos propósitos. Metáfóricamente podemos decir que funciona en dos escalas diferentes -lo cual no deja de tener sentido-. En primer lugar, trata sobre la condensación de vapores en flujos de capa límite. Los flujos de capa límite, como es bien conocido, tienen el don de la ubicuidad. Cualquier flujo en contacto con superficies sólidas o, incluso en contacto mutuo, deviene un flujo de capa límite en alguna escala. La condensación de vapores, y muchos otros fenómenos de transición de fase, se desarrollan intensamente en esas capas límite. Sin embargo, la descripción y modelización de la condensación homogénea ha sido menos tratada en la literatura si la comparamos con la condensación heterogénea (aquella que ocurre sobre partículas presentes en el flujo). Hemos desarrollado un modelo para la condensación homogénea de vapor en un flujo de capa límite particular, el llamado flujo de remanso, cerca de una pared fría, para un fluido incompresible y asumiendo una distribución monodispersa de gotas resultantes. Este problema admite una solución de semejanza. El modelo completo ha sido resuelto numéricamente y además se ha obtenido una buena aproximación del mismo mediante la aplicación de métodos perturbativos. Ese modelo se ha extendido en varias direcciones: Otros tipos de flujo que admitan también soluciones auto-semejantes, la condensación mixta u homogénea y heterogénea simultáneas, y la condensación homogénea en el caso de capas límite en contra flujos con fluidos compresibles. En el caso de la condensación mixta hemos demostrado que es posible abordar las condensaciones homogénea y heterogénea independientemente, con un esquema iterativo. Por supuesto, todas estas nuevas direcciones han sido tratadas de forma menos detallada y está pendientes de trabajo futuro. En segundo lugar, el trabajo ha intentado acercarse a otros temas muy relacionados con él pero que han sido normalmente estudiados de forma separada. Así, hemos ampliado el objetivo inicial para abarcar otros aspectos como pueden ser la coagulación y la aglomeración de partículas nanométricas, la termoforesis o la formación de hielo. Específicamente, la aglomeración y la termoforesis son esenciales para entender los procesos de condensación en cámaras de combustión donde se está produciendo una muy rica actividad química. La formación de hielo es importante si queremos extender los procesos de condensación al ámbito atmosférico. El tema esencial de este trabajo de tesis es importante en varios aspectos: 1. Se ocupa de fenómenos presentes en una amplia variedad de situaciones tanto naturales como de los procesos industriales, cuya comprensión puede resultar en el perfeccionamiento de procesos conocidos o en un mejor pronóstico de algunas conductas tanto deseables como indeseables. 2. Nos hemos visto obligados a recopilar mucha información normalmente dispersa o no directamente conectada con el tema esencial, sobre métodos que tienen un gran efecto en la comprensión y descripción de los fenómenos más arriba señalados. El tratamiento matemático de algunos aspectos del problema ha sido llevado a cabo en paralelo con simulaciones numéricas de algunos otros. Por lo tanto, una gran cantidad de trabajo queda todavía por hacer o por completar. Este es principalmente el caso de la simulación estocástico-termoforética de la aglomeración de partículas nanométricas, que es descrita en el apéndice A, o el modelo propuesto para la descripción de flujos de cu'na muy cerca del vórtice, que cierra el capítulo 2. Hemos adoptado los términos 'boundary layer flow' y 'conter flow boundary layers' para referirnos a las capas límite que ocurren cerca de una pared sólida y las que ocurren en la interfaz de dos flujos, lejos de cualquier superficie sólida, respectivamente.
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Vapour condensation, Boundary layer flows
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