El grupo de investigación “Fluidodinámica Experimental” considerado por el Gobierno de Aragón como grupo consolidado desde el año 2002 integra al personal científico del Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC), centro mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza, que realiza tareas experimentales. Es un grupo bien establecido y con amplia experiencia cuyos temas de trabajo abarcan la práctica totalidad de los incluidos en las líneas y sublíneas de investigación del LIFTEC.

Objetivo general de la actividad de investigación del grupo

La principal actividad investigadora del grupo, común a todos sus miembros y que actúa como elemento cohesionador, se centra en la fluidodinámica experimental en sus variantes más amplias, tratando de cubrir tanto la comprensión de aspectos básicos de la mecánica de fluidos como el estudio de aplicaciones de interés industrial.

La mayor parte de la investigación desarrollada se podría englobar en las áreas de energía y conservación del medio ambiente, pero el alcance se extiende también a otras áreas. A efectos organizativos los temas tratados pueden agruparse en cuatro líneas de investigación, coincidentes con las del Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC), Centro Mixto CSIC – UZ:

• Ingeniería de fluidos, en la que se incluye el estudio de flujos multifásicos, atomización de líquidos y formación de aerosoles, diseño de atomizadores, bioingeniería (diseño de elementos médico-hospitalarios o modelos de flujos biológicos) y estudios de aerodinámica.
• Combustión industrial: estudio de combustión de gas, fuel-oil y carbón, formación de cenizas y escorias, control y medida industrial, caracterización de elementos de instalaciones industriales, sistemas de medida, monitorización y control de la combustión en tiempo real, reducción de emisiones de contaminantes, mejora de la combustión, diseño de quemadores, combustión de biomasas y residuos, depuración de aguas, ventilación y evacuación de humos.
• Pilas de Combustible: diseño y fabricación de placas bipolares, diseño, fabricación, montaje y ensayo de “stacks” de pilas poliméricas de baja y media potencia, estudio de aplicaciones: plantas de potencia para vehículos, sistemas combinados de calor y potencia, sistemas de alimentación ininterrumpidos, etc.
• Hidrología e hidráulica: rotura de presas y avenidas, diseño de redes de distribución y riego, monitorización de cuencas.

La investigación está fundamentada en medidas experimentales, llevadas a cabo en las instalaciones del LIFTEC y del Área de Mecánica de Fluidos de la Universidad de Zaragoza. Junto a la adquisición de las medidas propiamente dichas, este trabajo incluye además el diseño y construcción de los montajes experimentales, y el desarrollo de las técnicas a aplicar. Se utilizan técnicas que podrían calificarse de clásicas, pero que todavía resultan robustas y fiables, junto a las técnicas ópticas más avanzadas, cuya aplicación a los flujos que aquí se estudian resulta muchas veces altamente innovadora. Además, la mayoría de las instalaciones experimentales con las que se cuenta son únicas en España.

La dilatada experiencia de los miembros del grupo, y su alta productividad, no sólo científica, reflejada en el elevado número de publicaciones en revistas SCI y presentaciones en congresos internacionales, sino también en la captación de recursos mediante proyectos y contratos, avalan su consideración como grupo consolidado. La participación en proyectos internacionales, y la difusión de los resultados en revistas y congresos ha facilitado que este grupo goce de un reconocido prestigio dentro de la comunidad científica europea y mundial. Por todo ello se puede afirmar, sin lugar a dudas, que la actividad científica del Grupo de Fluidodinámica Experimental está por encima de la media nacional dentro del área de conocimiento de Mecánica de Fluidos. La importancia de los temas de estudio en sectores claves para el desarrollo científico y económico de España, y en particular de Aragón, fundamentalmente en temas energéticos y medioambientales, justifican el apoyo a estos trabajos de investigación. En concreto conviene señalar la adecuación de las líneas de investigación a temas prioritarios recogidos en el PAID:

• Fomento de las energías renovables y de la eficiencia energética.
• Recursos hídricos y calidad del agua
• Tecnologías del hidrógeno
• Utilización limpia del carbón

Descripción de la actividad investigadora del grupo

Las principales líneas de trabajo que en estos momentos se están desarrollando y cuya continuidad se da por segura en los próximos años son:

Ingeniería de fluidos

La mecánica de fluidos es una disciplina presente en múltiples situaciones cotidianas y en numerosos procesos industriales. Dentro de sus muchos aspectos, la investigación en esta línea se ha centrado en los últimos años en los flujos turbulentos multifásicos. Este tipo de flujos se presenta con mucha frecuencia tanto en aplicaciones industriales como en la propia naturaleza, en forma de aerosoles de partículas sólidas, gotas o burbujas dispersas en un medio continuo. El transporte de sedimentos en los ríos, la contaminación atmosférica y la formación de aerosoles de combustibles líquidos son sólo unos pocos ejemplos que sirven para entender la importancia de conocer este tipo de flujos. Además, los flujos multifásicos tienen lugar en combustores, calderas de vapor, sistemas de filtrado, dispositivos de suministro de medicamentos (inhaladores), flujo en medios porosos, etc.

Dentro de esta línea, los investigadores y miembros de este grupo pretenden estudiar tanto casos de problemas básicos como aplicados que permitan profundizar en el conocimiento de los sistemas multifásicos. El equipamiento científico, las instalaciones experimentales y el potencial científico del mismo permite abordar diferentes tareas destinadas a cumplir los objetivos generales anteriormente descritos. Desde el punto de vista de investigación básica, se pretende estudiar los mecanismos físicos de atomización de una masa líquida, así como los fenómenos que describen el comportamiento de gotas y partículas en chorros/sprays gaseosos. Esta línea, bien establecida en el grupo, ha dado lugar a una tesis doctoral en los últimos 5 años. En aspectos básicos, se ha desarrollado el proyecto “Caracterización Experimental de la Atomización Ultrasónica en Sistemas con Superficie Libre” (UZ2012-TEC-02) financiado por la Universidad de Zaragoza. En su vertiente aplicada, en este caso a la combustión industrial, se concluyó en el año 2012 el proyecto “Desarrollo de difusores de aire para quemadores de inyección” (ENE2008-03137/CON) financiado por el Plan Nacional de Energía de DGICYT que ha sido la base de una tesis doctoral leída en diciembre de 2014. Asimismo, se han realizado varios contratos de investigación relacionados con estos temas, por ejemplo, el diseño de una boquilla para la atomización de líquido desinfectante para su aplicación en sanitarios realizado para la empresa Zobele España, y se ha presentado una patente. En estos momentos se encuentra vigente y en fase de desarrollo el proyecto del Plan Nacional “Métodos de atomización de gotas micrométricas para nuevas aplicaciones” (DPI2013-45814-P) iniciado en diciembre de 2015. Dentro de él, se ha estudiado la atomización ultrasónica de suspensiones de fase sólida en agua, y la formación de aerosoles de distintos hidrocarburos.

Plan de actuación:

A lo largo de los próximos años se abordarán las siguientes tareas:

• Análisis de la atomización ultrasónica y otras alternativas para la producción de gotas micrométricas.
• Estudio de métodos de atomización de líquidos de alta viscosidad
• Estudio de la cavitación hidrodinámica como inductora de reacciones químicas
• Diseño y caracterización de boquillas y quemadores para aplicaciones de combustión industrial.
• Estudio detallado y aplicación de la técnica de velocimetría de imagen estereoscópica de desplazamiento de partículas (SPIV).

Combustión industrial

La combustión es un proceso omnipresente en el mundo actual, con una enorme relevancia tecnológica, económica y medioambiental. Al mismo tiempo, se trata de un campo que plantea grandes retos científicos y tecnológicos, dado que está sujeto a continuas exigencias de mejora de eficiencia, reducción del impacto ambiental, utilización de nuevos combustibles y desarrollo de nuevas aplicaciones. Dentro de esta línea de investigación, los investigadores y miembros de este grupo pretenden abordar diversos aspectos de la ciencia y la tecnología de la combustión, dirigidos tanto a ahondar en los múltiples retos científicos que plantea esta disciplina, como a desarrollar nuevos equipos y aplicaciones adaptados a las nuevas exigencias de la industria y de la sociedad. Se dispone de unas instalaciones únicas para estos fines: dos combustores de 500 kW y 150kW, un reactor laminar, un combustor de turbina de gas, un banco de ensayo de boquillas en flujo frío, etc. Los campos de actividad en los que se trabaja, y en los cuales el grupo tiene una sólida experiencia, son los siguientes:

• Diseño de atomizadores para combustibles líquidos, con especial atención a los requerimientos planteados por combustibles ultra-pesados y nuevos combustibles (derivados de biomasa y residuos).
• Desarrollo de quemadores de baja emisión de NOx, por control del patrón de mezcla.
• Estudio de la combustión de partículas, profundizando en el análisis de la combustión de carbón pulverizado y desarrollando nuevos procedimientos para el estudio de biomasas sólidas.
• Formación y emisión de partículas en sistemas de combustión, incluyendo los fenómenos de formación de partículas submicrónicas en combustión de carbón y biomasa, de especial relevancia medioambiental.
• Combustión de biomasas, solas o en combinación con otros combustibles.
• Fenómenos de ensuciamiento y escorificación (fouling/slagging)
• Desarrollo de sistemas avanzados de monitorización y control de sistemas de combustión.
• Combustión en turbinas de gas, con énfasis en el estudio de problemas de pulsaciones y en la utilización de combustibles alternativos (gasificación de biomasa, gases enriquecidos en H2…).

Esta línea de investigación incluye varios proyectos, tanto nacionales como internacionales, en fase de realización. Entre los primeros figura “Combustión eficiente y limpia de syngas para generación de energía” (ENE2010-15445), y la participación en el proyecto Consolider “Sustainable combustión research (SCORE)” (CSD2010-00011). Entre los proyectos internacionales destaca “Development of high-efficiency CFB technology to provide flexible air/oxy operation for a power plant with CCS (FLEXIBURN)”, financiado por la Unión Europea. Fruto de estos proyectos y de otros varios ya finalizados, a lo largo de este año está prevista la lectura de tres tesis doctorales. Además, se encuentran vigentes varios contratos con empresas, entre ellas Gas Natural Fenosa (“Estudio de soluciones centralizadas a gas para climatización y ACS”, “Modificación de GASESHOR para adaptación a los cambios en el CTE), o BSH Electrodomésticos España (“Estudio experimental de quemadores domésticos con aireación primaria controlada”).

Plan de actuación:

Las tareas previstas a corto plazo dentro de esta línea son:

• Estudio de las condiciones de combustión para distintos combustibles gaseosos, incluyendo hidrógeno y gases sintéticos con alto contenido de hidrógeno, en combinación con aire u oxígeno en el combustor de turbina de gas.
• Combustión de biomasas y otros biocombustibles: estudio de la evolución de las partículas, formación de contaminantes sólidos y gaseosos, problemas de fouling y slagging.
• Diseño de quemadores completos para crudos de alta viscosidad o residuos de destilación. Ensayos en túnel de viento con visualización de flujo y medias de velocidad mediante velocimetría de imagen de partículas.
• Control activo de la estabilidad de llama mediante análisis de imagen y estudio de señales de quemiluminiscencia y fluctuaciones de presión.

Hidrología e hidráulica

El aprovechamiento eficiente en los sistemas de riego, tanto a presión como en lámina libre, o el diseño adecuado de redes de distribución y colección en núcleos urbanos son cuestiones claves en nuestra comunidad. Estos temas deben abordarse mediante cálculos numéricos contrastados con estudios experimentales y medidas in situ para dar lugar al producto final que es la propia red de distribución con un protocolo que controle su gestión. También es un tema a tratar el estudio de avenidas e inundaciones. Dentro de esta línea de investigación, el grupo de fluidodinámica experimental realiza

• Medidas de campo de redes de conducciones hidráulicas urbanas (abastecimiento, vertido), y de riego (riego por gravedad y presurizado), adquisición en tiempo real de parámetros tales como, caudal circulante, velocidad, profundidad de la lámina libre o a presión, concentración de contaminantes, materias en suspensión.
• Medidas de caudal no intrusivas (ultrasonidos tiempo de tránsito) en tuberías a presión.
• Calibración de modelos de simulación de redes de distribución con propósitos de gestión y control.
• Topografía GPS de redes de agua, canales, colectores, acequias, tuberías, cauces naturales trazados, secciones, cotas, etc.
• Estudio de inundaciones en modelos experimentales de laboratorio.

Parte de estas tareas se desarrollan en el contexto de proyectos financiados por DGICYT y el propio Gobierno de Aragón (p. ej. “Tecnologías y herramientas para el ahorro de agua y energía mediante riego localizado en cultivos extensivos” IPT-2012-0567-310000, “Tecnologías Avanzadas para la Eficacia Energética en la Ingeniería y la Gestión de Sistemas de Riego” o “Ingeniería, análisis y gestión de redes de riego para la modernizaciön de regadíos”).

Plan de actuación:

Dentro de las tareas futuras en esta línea, se pretende:

• Realizar la medición topográfica exacta y precisa de las redes de riego a presión, utilizando tecnología GPS.
• Determinación de presiones y caudales en riego localizado en condiciones de fuertes irregularidades topográficas.
• Validación de los modelos desarrollados en riego localizado.
• Validación experimental de modelos de inundación con transporte de soluto.

Pilas de combustible

La creciente escasez de combustibles fósiles y las cada vez más estrictas normas en materia de emisiones contaminantes y de efecto invernadero han obligado a la búsqueda de sistemas alternativos para la generación de energía eléctrica. Una posibilidad que en estos momentos se contempla como la solución más viable es el uso de pilas de combustible, utilizando el hidrógeno como vector energético. La complejidad de este tema hace necesario que se aborde desde un punto de vista multidisciplinar puesto que incluye aspectos de química, mecánica, ciencia de materiales etc. Una parte de los problemas a resolver pertenecen específicamente al campo de la mecánica de fluidos, y éste es uno de los aspectos tratados por el grupo de investigación. Los temas que en estos momentos se están desarrollando de forma directa son:

• Estudio de la distribución de flujo en placas bipolares de pilas poliméricas.
• Manufactura de pilas poliméricas de media y baja potencia.
• Estudio y desarrollo de aplicaciones.

Recientemente se ha concluido el proyecto “Optimización del diseño fluidodinámico y mecánico de un sistema de pila PEM de alta temperatura” (ENE2009-14750-C05-02/CON) y se encuentra en fase de realización el denominado “Diseño y fabricación de una pila PEM ultraligera de media potencia para unidad de energía de un UAV” (ENE2012-38642-C02-01) que se espera de lugar a una tesis doctoral. Además miembros del grupo tienen registrada la patente “Placa bipolar para distribución homogénea del flujo en pilas de combustible” (ES2315126B1), y han solicitado dos patentes más relacionadas con el tema.

Plan de actuación:

Dentro de las tareas futuras en esta línea, se pretende:

• Estudiar la formación de agua y los problemas de encharcamiento.
• Estudiar los métodos de refrigeración adecuados para disipación del calor producido en los “stacks” de alta potencia.
• Analizar el problema de la inversión de potencial en celdas aisladas y comprobar su dependencia de la homogeneidad de la alimentación de reactantes.
• Optimizar los procesos de sellado y montaje de “stacks”.
• Desarrollar una pila ultraligera para suministrar electricidad a un avión no tripulado (UAV).

Impacto (científico, tecnológico, social) de la actividad del grupo

Todas las líneas de investigación abordadas por el grupo de fluidodinámica experimental tienen un gran impacto científico y socioeconómico en el contexto europeo y nacional, pero además, responden de una forma particular a problemas que quizá afectan de una manera especialmente acusada a la Comunidad Autónoma de Aragón. Los temas energéticos siempre han tenido una enorme importancia, pero todavía se acentuaron más tras la firma de los Protocolos de Kioto. Los severos límites en las emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero son especialmente relevantes en nuestra Comunidad por la existencia en este territorio de un elevado número de centrales de carbón cuyo funcionamiento se está viendo limitado por las nuevas restricciones. Es necesario optimizar al máximo los procesos de combustión para reducir todo lo posible las emisiones contaminantes. Esto incluye la mejora de la atomización previa de los combustibles, la optimización de los quemadores y el control preciso de las reacciones. Todo ello es analizado en el grupo de trabajo. Además se hace necesario el estudio de combustibles alternativos (hidrógeno, biomasas, residuos vegetales etc.). Estos temas inciden directamente en temas prioritarios recogidos en el II PAID, “Fomento de las energías renovables y de la eficiencia energética” y “Utilización limpia del carbón”. De modo paralelo, se hace preciso encontrar métodos alternativos de producción eléctrica. En estos momentos, como ya se ha indicado, una posibilidad muy atractiva es el uso de las llamadas pilas de combustible. Este es un tema de una relevancia científica, tecnológica, económica y social importantísima. La participación del grupo en esta línea de investigación es esencial puesto que junto con el grupo de simulaciones numéricas de la Universidad de Zaragoza – LIFTEC son los únicos en España que están abordando de manera específica los problemas de mecánica de fluidos de las pilas de combustible, y los únicos que están trabajando en este momento en “stacks” de media potencia. Tanto el estudio de pilas de combustible alimentadas con hidrógeno como el estudio de la combustión directa de hidrógeno en turbinas o motores enlazan directamente con los planes de desarrollo en nuestra región de sistemas para la producción de hidrógeno a partir de energía eólica, a través de la Fundación para el desarrollo de las nuevas tecnologías del hidrógeno en Aragón.

Finalmente, queda el tema del aprovechamiento de los recursos hídricos, cuya importancia en Aragón es por todos conocida. La optimización de los sistemas de regadío, la gestión eficiente de las redes de distribución, la detección de fugas, son tareas imprescindibles para un consumo correcto y racional de un bien tan preciado como es el agua.

Estructura y composición del grupo

Dentro del denominador común que supone el que todos sus miembros trabajan en una misma área científica, la mecánica de fluidos en su vertiente experimental, el grupo no tiene una estructura rígida a la que haya que atenerse. Los integrantes, en particular los que son permanentes, colaboran en función de los proyectos y contratos vigentes en cada momento de modo que la organización es más bien horizontal que vertical.

Esto es así porque hay muchos temas cuya línea de investigación es difícil de definir, y al mismo tiempo, las líneas de investigación no son independientes, sino que se solapan entre sí. La participación en proyectos de investigación viene a veces limitada por restricciones de tipo administrativo (por ejemplo, sólo se puede participar en un máximo de dos proyectos del Plan Nacional), pero la colaboración queda plasmada en publicaciones o presentaciones en congresos conjuntas. La participación de los miembros no permanentes es algo más rígida, porque en la mayor parte de casos, sus contratos están asociados a un proyecto concreto al que deben dedicarse exclusivamente.

En la actualidad, los integrantes del grupo son los siguientes: