Modelo y simulación de efectos de estratificación en ductos curvos

En este trabajo se estudian los efectos de la estratificación en un ducto curvo. Los flujos estratificados son aquellos en los que la densidad varía en la dirección vertical, lo cual puede deberse a diferencias de temperatura, fases disueltas en el fluido o partículas en suspensión. Esta variación d...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Castro Torre, Ramiro E.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2024
Materias:
Mecánica de fluidos
Turbulence
Turbulencia
Stratification
Estratificación
Fluids
Fluidos
[Secondary flow
Flujo secundario
Curved ducts
Ductos curvos
Computational mechanics
Mecánica computacional]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1273/1/1Castro_Torre.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En este trabajo se estudian los efectos de la estratificación en un ducto curvo. Los flujos estratificados son aquellos en los que la densidad varía en la dirección vertical, lo cual puede deberse a diferencias de temperatura, fases disueltas en el fluido o partículas en suspensión. Esta variación de densidades genera una fuerza boyante que impulsa al fluido de menor densidad hacia la legión superior. La geometría en estudio es un canal curvo de sección cuadrada. La curvatura induce un flujo transversal a la dirección principal, conocido como flujo secundario del primer tipo, producto de la curvatura de los vectores de verticidad media. Este tipo de flujo puede estar presente tanto en regímenes laminares como en turbulentos. En presencia de turbulencia, también aparecen flujos secundarios del segundo tipo, resultantes de las fluctuaciones de los campos de velocidad debido a la misma. Para llevar a cabo el estudio, se desarrolló una herramienta a partir de la adaptación de un código preexistente, validado y utilizado para simulaciones de turbulencia en la misma geometría. A este código se le adicionó la resolución de la ecuación de convección-difusión en coordenadas cilíndricos y el término boyante en la ecuación de momento axial. El código utilizado utiliza métodos pseudo-espectrales para la resolución espacial de las ecuaciones, y diferencias finitas para la discretización temporal. Se estudiaron flujos turbulentos sometidos a diferentes condiciones de borde de temperatura en las paredes, que estratifican el flujo de diversas maneras. Se modelaron las ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo incompresible y la ecuación de convección-difusión, derivada de la conservación de la energía. Además, se realizaron simulaciones para distintos valores de radio medio, con el objetivo de discernir los efectos tanto de la curvatura como de la fuerza boyante en el fluido, comparándolos con los casos sin fuerza boyante. Los resultados reportados incluyen valores de números adimensionales como el número de Reynolds y el número de Nusselt, así como distribuciones medias de campos de velocidades, patrones de flujo secundario, distribución de temperatura y distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, así como esfuerzos de corte sobre las paredes.
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La curvatura induce un flujo transversal a la dirección principal, conocido como flujo secundario del primer tipo, producto de la curvatura de los vectores de verticidad media. Este tipo de flujo puede estar presente tanto en regímenes laminares como en turbulentos. En presencia de turbulencia, también aparecen flujos secundarios del segundo tipo, resultantes de las fluctuaciones de los campos de velocidad debido a la misma. Para llevar a cabo el estudio, se desarrolló una herramienta a partir de la adaptación de un código preexistente, validado y utilizado para simulaciones de turbulencia en la misma geometría. A este código se le adicionó la resolución de la ecuación de convección-difusión en coordenadas cilíndricos y el término boyante en la ecuación de momento axial. El código utilizado utiliza métodos pseudo-espectrales para la resolución espacial de las ecuaciones, y diferencias finitas para la discretización temporal. Se estudiaron flujos turbulentos sometidos a diferentes condiciones de borde de temperatura en las paredes, que estratifican el flujo de diversas maneras. Se modelaron las ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo incompresible y la ecuación de convección-difusión, derivada de la conservación de la energía. Además, se realizaron simulaciones para distintos valores de radio medio, con el objetivo de discernir los efectos tanto de la curvatura como de la fuerza boyante en el fluido, comparándolos con los casos sin fuerza boyante. Los resultados reportados incluyen valores de números adimensionales como el número de Reynolds y el número de Nusselt, así como distribuciones medias de campos de velocidades, patrones de flujo secundario, distribución de temperatura y distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, así como esfuerzos de corte sobre las paredes. In this work, the effects of stratification in a curved duct are studied. Stratified flows are those in which density varies in the vertical direction, which can be due to differences in temperature, phases dissolved in the fluid, or suspended particles. This density variation generates a buoyant force that drives the lower density fluid towards the upper region. The geometry under study is a curved channel of square section. The curvature induces a flow transverse to the main direction, known as primary-type secondary flow, resulting from the curvature of the mean vorticity vectors. This type of flow can be present in both laminar and turbulent regimes. In the presence of turbulence, secondary flows of the second type also appear, resulting from fluctuations in velocity fields due to turbulence itself. To carry out the study, a tool was developed by adapting an existing code, validated and used for turbulence simulations in the same geometry. This code was augmented by resolving the convection-diffusion equation in cylindrical coordinates and the buoyancy term in the axial momentum equation. The code used employs pseudo-spectral methods for spatial resolution of equations and finite differences for temporal discretization. Turbulent flows subjected to different temperature boundary conditions on the walls were studied, which stratify the flow in various ways. The Navier-Stokes equations for incompressible flow and the convection-diffusion equation, derived from energy conservation, were modeled. Additionally, simulations were conducted for different values of mean radius, aiming to discern the effects of both curvature and buoyant force in the fluid, comparing them with cases without buoyant force. The reported results include values of dimensionless numbers such as Reynolds number and Nusselt number, as well as mean distributions of velocity fields, secondary flow patterns, temperature distribution, and distribution of Reynolds stresses over the section, as well as shear stresses on the walls. 2024-06-26 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1273/1/1Castro_Torre.pdf es Castro Torre, Ramiro E. (2024) Modelo y simulación de efectos de estratificación en ductos curvos / Modelling and simulation of stratification effects in curved ducts. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1273/

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