Desarrollo de una herramienta computacional para el análisis de estabilidad hidrodinámica
Actualmente uno de los mayores desafíos en los diseños aeronáuticos y aeroespaciales es obtener un flujo laminar sobre las alas y el cuerpo del vehículo logrando disminuir drásticamente el consumo de combustible además de mejorar la estabilidad del movimiento. Por otro lado, el flujo turbulento pose...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1094/1/1Scarafia.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Actualmente uno de los mayores desafíos en los diseños aeronáuticos y aeroespaciales es obtener un flujo laminar sobre las alas y el cuerpo del vehículo logrando disminuir drásticamente el consumo de combustible además de mejorar la estabilidad del movimiento. Por otro lado, el flujo turbulento posee un alto coeficiente de convección, siendo muy útil para poder extraer calor en intercambiadores de calor de la industria nuclear o química. Experimentalmente, la evolución en el tiempo y/o espacio de un fluido laminar está sometido a una gran diversidad de inestabilidades externas o internas del sistema, las cuales pueden conducir al flujo a un estado turbulento. Este fenómeno es llamado transición laminar-turbulenta. Este proceso y en especial el mecanismo para activar la transición ha sido investigado por más de cien años, y no está completamente entendido en la actualidad.
En el estudio de la transición surgieron herramientas que permiten estudiar los estados iniciales o desencadenantes de este proceso. Una de las herramientas ampliamente difundidas es la teoría de estabilidad lineal, la cual permite obtener los modos naturales que desencadenan la turbulencia. Si bien existen diversos trabajos bibliográficos que desarrollan esta teoría, su uso, formulación y codificación no son ampliamente difundidos. En base a esta problemática, el presente trabajo tiene como objetivo desarrollar una biblioteca en Python para el análisis de estabilidad hidrodinámica libre a la comunidad. Dicha herramienta, consiste en la resolución numérica de las ecuaciones pertinentes al análisis de estabilidad lineal mediante esquemas espectrales de Chebyshev para 4 flujos de interés: Pouiselle, Couette, Boundary Layer y Jet Bickley, su codificación en Python y su correspondiente validación. Dicha biblioteca se encuentra operativa y documentada.
Como una aplicación de la herramienta desarrollada, se realizaron simulaciones DNS (simulación numérica directa) en flujo de placas planas con el software Xcompact-3d. Se hizo un análisis de la influencia de diversas perturbaciones de similar energía cinética turbulenta inicial, en el inicio y en el estado tardío de la transición laminar-turbulenta temporal. Se verificó que existe una influencia de las perturbaciones, utilizadas en la condición inicial, en el onset de la transición. Sin embargo, todas las transiciones llegan al mismo estado turbulento estadísticamente estacionario. Además, se vio la presencia de un pico de producción de energía cinética turbulenta k en la zona de transición, el cual ocurre antes que el pico del Reτ (parámetro relacionado al coeficiente de fricción). Aunque el pico del Re_τ cambia considerablemente de forma con las perturbaciones, el presente en k solo presenta un corrimiento temporal. Finalmente, al analizar la contribución de cada componente del campo de velocidades a la energía cinética turbulenta, se vio que el inicio de la transición ocurre en el momento en que la componente z alcanza su valor máximo, antes de contribuir en mayor proporción que la componente y.
Una aplicación inmediata de los resultados de la aplicación de la herramienta es que pueden ser de utilidad en el desarrollo de nuevos modelos que predicen la transición. Esto porque algunos de los modelos actuales, usan a la energía cinética turbulenta inicial como parámetro para caracterizar la evolución de una perturbación que conduce al flujo laminar a su estado turbulento [18]. Sin embargo, como se puede ver en el presente trabajo, la forma de las autofunciones también influye significativamente en el inicio de la transición laminar-turbulenta. Entonces, los datos reportados podrían ser usados en el desarrollo de nuevos modelos de transición donde se contemple el efecto de las 2 variables. |
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