Estudio numérico del proceso de transición laminar-turbulento en canales angostos
Esta tesis se enfoca en el estudio de la transición laminar-turbulenta en canales de placas paralelas mediante simulaciones numéricas directas, utilizando el código Incompact3d y la teoría de estabilidad lineal para inestabilizar el flujo en dominios computacionales accesibles. El objetivo es abord...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2024
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1260/1/1Machaca_Abregu.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Esta tesis se enfoca en el estudio de la transición laminar-turbulenta en canales de placas paralelas mediante simulaciones numéricas directas, utilizando el código Incompact3d y la teoría de estabilidad lineal para inestabilizar el flujo en dominios computacionales accesibles. El objetivo es abordar diversos aspectos específicos de este fenómeno, como la influencia de perturbaciones impuestas en la entrada del canal, el análisis del pico en el coeficiente de fricción en la transición, la transferencia de calor, la influencia del espesor de las paredes en cantidades térmicas y el impacto de la rugosidad. El estudio tiene impacto en sistemas que pueden presentar la transición, como por ejemplo alas de aviones o elementos combustibles de reactores nucleares de investigación.
El estudio de la influencia de las perturbaciones, realizado a Re = 5000, revela que la posición del inicio de la transición presenta una clara dependencia de las mismas mientras que la evolución del Reτ presenta una dependencia mínima. Se identifican distintos estados de la transición: zona cuasi-laminar, estado tardo, estado supertardío, pico de transición, zona de post-transición y región turbulenta. Se encuentra que la amplitud de las perturbaciones tiene un impacto distinguible solo hasta la primera etapa del estadío super-tardío.
En el estudio del fenómeno del pico presente en la evolución del coeficiente de fricción a lo largo de la transición, se descubre que la presencia de vórtices coherentes tipo hairpin aguas arriba del pico desempeña un papel crucial en su formación. Estos vórtices generan estructuras turbulentas, dando lugar a un incremento en la tensión de corte de Reynolds y, por ende, en el coeficiente de fricción. La evaluación cuantitativa de esta contribución se realiza mediante las identidades de Fukagata, Iwamoto y Kasagi (FIK), Renar y Deck (RD) y Xi Chen (XC), evidenciando que, en las proximidades del pico, los valores del término de tensión de corte de Reynolds, de producción de energía cinética turbulenta y de disipación turbulenta superan a sus correspondientes valores de la región turbulenta.
Del análisis de la transferencia de calor, para Re = 4200, diferentes números de Prandtl y dos condiciones de contorno térmicas:
flujo de calor uniforme (UHF) y temperatura de pared uniforme (UWT), se obtienen datos térmicos novedosos en la transición espacial. Se desarrolla una correlación para el número de Nusselt y se observa una alta correlación entre el campo término y el campo de velocidad cerca de las paredes del canal. Se estudia además la influencia de la condición de contorno térmica
en los parámetros de segundo orden a lo largo de la transición.
Para el estudio de la transferencia de calor conjugada (CHT) se desarrolla un módulo 3D que resuelve la ecuación de conducción en el dominio del sólido y se acopla al código Incompact3d. Con la herramienta disponible se estudia la transferencia de calor en dos escenarios de transición: Re = 3420 con Pr = 0:71, y Re = 4200 con 0:1 ≤ Pr ≤ 1:0. La comparación de los resultados con aquellos calculados usando UHF, revela una influencia débil del modelado de la pared en el número de Nusselt, con una diferencia relativa máxima de 6% entre ambas condiciones de contorno térmicas. El análisis de las fluctuaciones de temperatura en la pared se correlaciona con los diferentes estadíos de la transición y muestra que la magnitud de las mismas para UHF es superior a la calculada con CHT. También se encuentra que el numero de Reynolds influye en esta cantidad en la región de transición pero no en la zona turbulenta.
El análisis de la influencia de la rugosidad, en simulaciones espaciales a Re = 6300 y temporales a Re = 5000, demuestra que la rugosidad modifica la perturbación optima, afectando el inicio de la transición respecto del canal liso. La perturbación in fluye hasta la primera etapa del estadío super-tardío, y la rugosidad incrementa las cantidades turbulentas respecto del canal liso aguas abajo de la zona donde los vórtices tipo hairpin ocupan toda la sección del canal.
En resumen, esta investigación contribuye al entendimiento fundamental de la transición laminar-turbulenta y proporciona datos valiosos para la mejora y desarrollo de teorías que busquen modelar dicho fenómeno. |
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