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MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 
17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO 
 
 1123 
 
ANÁLISIS NUMÉRICO DEL ARRASTRE DE AIRE ATMOSFÉRICO QUE PRODUCE 
UN CHORRO DE COMBUSTIBLE QUE POSTERIORMENTE ENTRA EN UNA 
TUBERÍA 
 
 
Víctor Caloca, William Vicente*, Martín Salinas, Jonathan Sánchez y José M. Cubos 
Instituto de Ingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México 
Ciudad Universitaria, 04510 México D.F., México 
Telefono: (55) 5623 3500 ext. 1113 
e-mail: *wvicenter@iingen.unam.mx 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
Un modelo de Dinámica de Fluidos Computacional es usado para simular el arrastre de aire atmosférico que produce 
durante su movimiento un chorro de combustible, que posteriormente entra en una tubería. La configuración 
simulada consiste en una tubería por la cual entra un flujo de combustible y aire. Esta mezcla es dada por que el 
chorro de combustible, antes de la entrada de la tubería, está en contacto con la atmósfera. La sección transversal de 
la tubería es variable y después colocada como constante para mostrar la influencia de este parámetro en la cantidad 
de aire inducido. Comparaciones con datos experimentales en términos de la concentración de combustible y gasto 
de aire arrastrado muestran que se predice adecuadamente el flujo. 
 
Palabras clave: Dinámica de Fluidos Computacional, arrastre, aire, chorro, tubería, n-Butano. 
 
ABSTRACT 
 
A Computational Fluid Dynamics Model is used to study the entrainment atmospheric air flow that is produced by a 
fuel jet, which after flow into a pipeline. The simulate configuration is a pipeline in which an air and fuel mixture 
come in. This mixed is produced because of; the fuel jet is in contact with atmosphere before of pipeline inlet. Shape 
of pipeline is changed to study its influence on the amount of entrainment air. Comparisons with experimental data 
are made in term of concentrations of fuel and entrainment air flow rate at outlet of pipeline and predictions show a 
good accuracy. 
 
Keywords: CFD, entrainment, air, jet, pipeline, Butane. 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
En algunos sistemas con combustión, un método utilizado para introducir el aire que va a ser usado en el proceso de 
oxidación del combustible es el de arrastre. Este proceso se observa en algunas llamas tipo difusivas como la de los 
mecheros elevados ([1] y [4], en la cual el aire atmosférico es introducido durante el movimiento del combustible y 
la llama. En la interfase entre el chorro de combustible y el aire atmosférico se presentan vórtices transitorios que 
introducen y mezclan el aire con el combustible y gases productos de la combustión. 
 
En algunos sistemas, es requerido volver a introducir a una tubería esta mezcla aire y combustible, por ejemplo 
quemadores tipo bunsen. Un esta etapa, el oxidante es denominado “aire primario”. La forma que tiene esta tubería 
ha mostrado que tiene una influencia importante en la cantidad de aire primario que arrastra el chorro de 
combustible. 
 
MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 
17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO 
 
ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM 1124 
Hasta hace algún tiempo, el diseño de estos dispositivos se hacia mediante trabajo experimental y los cambios 
solamente se conocían por efectos generales en la composición de la mezcla del chorro aire y combustible, que 
posteriormente salen por un quemador. 
 
Diseños modernos de estos sistemas demandan el uso de herramientas numéricas que permitan el estudio detallado 
de la interacción entre el combustible y aire. Una de estas herramientas es la alternativa de las ecuaciones 
promediadas (Reynolds Averaged Navier-Stokes equations, RANS), que es ampliamente utilizada en casos de interés 
práctico. 
 
En este primer trabajo, un método del tipo RANS es usado para simular numéricamente el arrastre de aire 
circundante, que se tiene cuando un chorro de combustible entra en una tubería con cierta sección transversal en su 
interior. El combustible es n-Butano y antes de entrar a la tubería, este chorro está en contacto con el aire 
atmosférico. Las ecuaciones, en términos de valores medios, que gobiernan el movimiento del flujo son resueltas 
mediante un método de volúmenes finitos. Mallas que se ajustan al cuerpo (Body Fitted Coordinates, BFC) son 
usadas para discretizar el dominio del sistema. Un modelo del tipo k-ε [2] es usado para simular el efecto de la 
turbulencia en el flujo. Comparaciones con datos experimentales en términos de valores medios de la concentración 
de combustible en la mezcla aire y combustible muestran una buena predicción. 
 
 
 
CONFIGURACIÓN EXPERIMENTAL A SIMULAR 
 
El caso que se simula es el arrastre de aire que se produce por el movimiento de un chorro de combustible en la 
atmósfera y que después entra en una tubería. La configuración consta de un chorro de combustible colocado 
coaxialmente antes de la entrada de una tubería. El combustible es n-Butano y el área de la sección transversal de la 
tubería por donde entra la mezcla aire y combustible es variable. Una representación esquemática del sistema se 
presenta en la Figura 1. El chorro de combustible entra a la tubería coaxialmente y tiene una velocidad próxima a 4 
m/s. Antes de entrar a la tubería, el chorro está en contacto con la atmósfera, que es de donde arrastra el aire. El 
tamaño del sistema es aproximadamente 0.05 m. Por motivos de propiedad industrial, las características son 
omitidas, sin embargo el propósito del trabajo es mostrar cualitativamente el efecto de la forma interior de la tubería 
por donde se introduce la mezcla combustible y aire. 
 
Concentraciones de combustible en la mezcla n-butano y aire son obtenidas en la salida de la tubería mediante un 
analizador de oxígeno. Esta mezcla aire y combustible posteriormente sale por un quemador. El aporte de la 
cantidad de aire que se introduce en esta primera etapa influye de manera importante en el nivel de combustión que 
se da cuanto esta mezcla es quemada posteriormente en un quemador. 
 
La configuración anterior es comparada con una en la cual la tubería es de sección transversal constante como la 
mostrada esquemáticamente en la Figura 2. 
 
 
MODELO NUMÉRICO 
 
En esta sección se presentan los modelos de la aerodinámica del flujo y los detalles numéricos que se utilizaron para 
simular el flujo de aire que es arrastrado por un chorro de combustible y que después es introducido en una tubería. 
 
 
MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 
17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO 
 
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Figura 1. Representación esquemática de la configuración experimental. Tubería con sección transversal variable. 
 
 
 
 
Figura 2. Representación esquemática de la configuración con tubería de sección transversal constante. 
 
La aerodinámica del flujo se simuló con las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento, energía y especie 
química (no reactiva) en promedios de Favre. Como consecuencia de este promediado, aparece un término de 
convección turbulenta, el cual es modelado mediante el modelo de turbulencia k-ε [2]. 
 
Para hacer el cierre de las ecuaciones se requiere los valores de temperatura y densidad, que son calculadas como 
una mezcla de gases ideales. 
 
 
 
DETALLES NUMÉRICOS 
 
La simulación del flujo se hace en 2 dimensiones, usando mallas que se ajustan al contorno del cuerpo (Body Fittted 
Coordinates) para la discretización del sistema. 
 
El dominio de la simulación empieza antes de la salida del combustible. Con fines de ahorro en memoria y tiempo de 
cálculo, el dominio espacial del sistema es la mitad de la sección transversal. El dominio de cálculo, el cual se 
representa en la Figura 3, se discretiza con una malla de 100x150 en las direcciones x y y, respectivamente. Un 
número mayorde celdas fue usado para verificar la independencia de las predicciones con la malla. 
 
La velocidad de entrada del combustible se fijo en una velocidad próxima a 4 [m/s] y su movimiento se simuló con la 
resolución de una ecuación de transporte de una especie química conservada en términos de fracción másica. En el 
modelo numérico, la turbulencia se simula con el modelo k-ε estándar [2]. La discretización del término convectivo 
de las ecuaciones de transporte se hace con el esquema de discretización híbrido [5]. 
 
Para resolver el acoplamiento presión velocidad se utiliza un algoritmo del tipo SIMPLE [4]. 
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Figura 3. Malla de discretización. 
 
RESULTADOS Y DISCUSIONES 
 
En esta sección se presentan los resultados obtenidos para el flujo de aire que es introducido en la tubería mediante 
arrastre. 
 
Los resultados de las variables más representativas del flujo son mostrados tanto para la tubería con sección 
transversal variable como la de sección transversal constante. 
 
 
En la figuras 4 y 5 se muestran las predicciones de los campos de velocidad para ambas tuberías. Una velocidad 
máxima de 4 m/s se tiene en la descarga de combustible y que disminuye conforme entra en la tubería, después de 
haber arrastrado al aire atmosférico circundante. En ambos casos, los vórtices transitorios, que introducen aire al 
chorro [3], inducen en valores medios una zona de recirculación en la entrada de la tubería. En el caso de la tubería 
con sección transversal constante, esta zona de recirculación es más grande y casi termina en la salida de la tubería. 
Esta recirculación influye en la cantidad de mezcla aire y combustible que finalmente sale por la tubería, ya que parte 
de la mezcla es regresada a la entrada de la misma. En la tubería con sección transversal constante, esta 
recirculación retorna más cantidad de fluido de la salida a la entrada que en el caso de la otra tubería. 
 
En términos de porcentaje, el aire que se predice ingresa por la tubería de sección transversal variable es 
aproximadamente un 9 % más que para la tubería de sección transversal constante, que cuando se compara con datos 
experimentales tiene un error menor al 10%. 
 
La concentración de combustible media para las tuberías de sección transversal variable y constante es mostrada en 
las Figuras 6 y 7 respectivamente. La concentración de combustible disminuye por la cantidad de aire que se mezcla 
con el mismo. Una mayor cantidad de aire arrastrado significa una menor concentración. Las diferencias entre las 
predicciones de concentración de combustible para ambas tuberías son de casi un 10 % en la salida de la tubería. 
 
De acuerdos con mediciones experimentales, un valor medio para la concentración de combustible en la salida de la 
tubería de sección transversal variable es de 0.8. Por lo que si se compara con el valor predicho resulta con un error 
de aproximadamente de 5%. 
 
Lo anterior muestra la confiabilidad del modelo numérico para predecir el arrastre de aire cuando un chorro de 
combustible pasa por un medio ambiente atmosférico y después es introducido en una tubería. 
 
 
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Figura 4. Campos de velocidad medio. Predicciones para la tubería de sección transversal variable. 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Campos de velocidad medio. Predicciones para la tubería de sección transversal constante. 
 
 
 
 
 
Figura 6. Contornos de fracción másica de combustible medios. Predicciones para la tubería de sección transversal 
variable. 
 
 
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Figura 7. Contornos de fracción másica de combustible medios. Predicciones para la tubería de sección transversal 
constante. 
 
 
CONCLUSIONES 
 
En este trabajo se ha simulado numéricamente el arrastre de aire que se tiene cuando un chorro de combustible, que 
es descargado en la atmósfera es introducido posteriormente a una tubería. El flujo se simula con la alternativa de 
ecuaciones promediadas. Comparaciones con datos experimentales en términos de concentración de n-Butano en la 
salida de las tuberías, así como el gasto de aire arrastrado muestran que el modelo numérico predice adecuadamente 
el flujo. 
 
Dos tuberías, una de sección transversal variable y otra constante, son comparadas para establecer su influencia en el 
gasto de aire que es introducido. 
 
Una zona de recirculación media es formada en la entrada de ambas tuberías, la cual que afecta la cantidad de aire 
introducido en la tubería. 
 
El gasto de aire es mayor en un 8 % para la tubería de sección transversal variable que para la de sección transversal 
constante. Como una consecuencia de lo anterior la concentración de combustible es menor para el primer caso. 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Se agradece a la DGAPA por el apoyo recibido bajo el proyecto IN-109106-3. 
 
REFERENCIAS 
 
[1] Castiñeira, D., Edgar T.F. (2006). CFD for simulation of steam-assisted and air-assisted flare combustion 
systems. Energy and Fuels, 20(3), 1044-1056, 2006. 
 
[2] Launder B.E. and Spalding D.B. (1974). The Numerical Computation of Turbulent Flows. Comp. Meth. 
Appl. Mech. Eng., 3:269:289. 
 
[3] I. Nastase, A. Meslem and P. Gervais (2008). Primary and secondary vortical structures contribution in the 
entrainment of low Reynolds number jet flows. Experiment in Fluids, 44:6:1027-1033. 
 
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17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO 
 
ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM 1129 
 [4] Patankar, S.V. and Spalding, D.B. (1972). A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer 
in Three Dimensional Parabolic Flows. Intern. J. of Heat and Mass Transf., 15:1787. 
 
[5] Spalding, D. B. A Novel Finite-Difference Formulation for Differential Expressions Involving Both First and 
Second Derivates. Int. Journal. Num. Methods Engineering, 4, pp. 551. 1972. 
 
[6] Vicente, W., Salinas, M., Barrios E., Barrera, E. (2008). “Numerical Analysis of Flares in cross flow”. 
International Journal of Thermal Sciences. En revisión.