Discusión metodológica y validación frente a datos experimentales de múltiples fuentes de la bibliografía del modelado CFD de un tubo vortex

Abstract

El Tubo Vortex de Ranque-Hilsch (VT) es un dispositivo sin partes móviles que convierte un flujo de fluido comprimido, generalmente aire, en dos corrientes a menor presión, pero con temperaturas diferenciadas: una superior y otra inferior a la de entrada. Aunque su comportamiento termodinámico macroscópico está ampliamente documentado, no existe un consenso unificado respecto a los fenómenos internos en el VT ni a su importancia relativa. La interacción compleja entre la mecánica de fluidos y la transferencia de calor en escalas reducidas (e.g., 11 mm de diámetro interno) exige métodos experimentales costosos y de alta precisión, cuya implementación puede alterar el flujo. En este contexto, la simulación fluidodinámica computacional (CFD) surge como una herramienta apta y viable, siempre que se disponga de un modelo representativo y preciso. Este trabajo evalúa críticamente la metodología de modelado CFD aplicada al VT. Con base en estudios previos, se propone una delimitación del dominio fluidodinámico que excluye componentes secundarios. Para su análisis, se exploran dos enfoques paralelos: una geometría bidimensional con simetría axial, que incorpora la predicción de la componente tangencial de la velocidad, y una geometría tridimensional con simetría cíclica angular, definida por el número de toberas del dispositivo. Ambos enfoques incluyen: (1) una discusión de las hipótesis que sustentan su formulación; (2) un estudio de independencia de malla; (3) una validación experimental basada en múltiples configuraciones geométricas y condiciones operativas. Los resultados alcanzados constituyen un marco de referencia sólido para futuros estudios orientados a analizar los fenómenos relevantes al interior del VT y consolidar una explicación consensuada de su funcionamiento.