Flujos turbulentos en estructuras periódicas.

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El estudio de flujos en medios porosos resulta de interés tanto en la industria como en la academia debido a que este tipo de flujos aparece en un gran numero de aplicaciones. Se pueden destacar aplicaciones químicas (p.e. reactores catalíticos), ambientales (p.e. flujo a través de vegetación),...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Sosa, Nicolás M.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2019
Materias:
Fluidodinámica computacional
Fluid mechanics
Mecánica de fluidos
Computerized simulation
Simulación computerizada
[Porous media
Medios porosos
Computational fluid dynamics
Fluidodinámica computacional ]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/822/1/1Sosa.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description El estudio de flujos en medios porosos resulta de interés tanto en la industria como en la academia debido a que este tipo de flujos aparece en un gran numero de aplicaciones. Se pueden destacar aplicaciones químicas (p.e. reactores catalíticos), ambientales (p.e. flujo a través de vegetación), geológicas (p.e. erosión de rocas), mecánicas (p.e. intercambiadores de calor), nucleares (p.e. reactores de alta temperatura refrigerados por gas en los cuales combustible y moderador se encuentran dispuestos en arreglos de esferas apiladas), en la industria del petroleo y del gas (p.e. ingeniería de reservorios, recuperación asistida de petroleo y producción de gas natural). En las aplicaciones mencionadas resulta computacionalmente muy costoso, o imposible, resolver los campos de flujo si se consideran las características geométricas de cada poro individualmente. Resulta entonces de interés desarrollar modelos fluidodinámicos para medios porosos que realicen una descripción macroscópica o estadística del medio. En este trabajo se realizan contribuciones al modelado macroscópico de medios porosos utilizando herramientas numéricas que permiten disponer de resultados que esclarecen aspectos del flujo a través de las estructuras analizadas. Dichos resultados podrían ser utilizados en el desarrollo de nuevos modelos teóricos para una descripción del flujo en medios porosos. Se detallan las características principales de cada una de las herramientas numéricas utilizadas, los códigos de libre acceso OpenFOAM caracterizado por el uso de modelos de turbulencia e Incompact-3D que permite obtener flujos tridimensionales basados en la simulación numérica directa de la ecuación de Navier-Stokes. A su vez, se realiza un contraste de costos computacionales, grillas necesarias y campos de velocidades obtenidas en ambos casos. Luego se realizan determinaciones de propiedades macroscópicas como ser la permeabilidad a partir de la cuantificación de perdidas de carga. También se cuantifican las perdidas de carga en función del numero de Reynolds para tres porosidades distintas, adoptando un medio poroso simple representado por barras transversales de sección cuadrada. Se presenta un estudio de cantidades turbulentas en estructuras periódicas, donde se cuantifican magnitudes como la energía cinética turbulenta y la disipación turbulenta promediadas en el volumen para diversos números de Reynolds. A su vez, se estudia la energía cinética dispersiva y la disipación dispersiva, cantidades que quedan definidas como resultantes de una representación basada en el promediado volumétrico en el elemento representativo de volumen de las variables de interés. Se presentan también las distribuciones en el medio poroso de los términos correspondientes al balance de energía cinética turbulenta.
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Se pueden destacar aplicaciones químicas (p.e. reactores catalíticos), ambientales (p.e. flujo a través de vegetación), geológicas (p.e. erosión de rocas), mecánicas (p.e. intercambiadores de calor), nucleares (p.e. reactores de alta temperatura refrigerados por gas en los cuales combustible y moderador se encuentran dispuestos en arreglos de esferas apiladas), en la industria del petroleo y del gas (p.e. ingeniería de reservorios, recuperación asistida de petroleo y producción de gas natural). En las aplicaciones mencionadas resulta computacionalmente muy costoso, o imposible, resolver los campos de flujo si se consideran las características geométricas de cada poro individualmente. Resulta entonces de interés desarrollar modelos fluidodinámicos para medios porosos que realicen una descripción macroscópica o estadística del medio. En este trabajo se realizan contribuciones al modelado macroscópico de medios porosos utilizando herramientas numéricas que permiten disponer de resultados que esclarecen aspectos del flujo a través de las estructuras analizadas. Dichos resultados podrían ser utilizados en el desarrollo de nuevos modelos teóricos para una descripción del flujo en medios porosos. Se detallan las características principales de cada una de las herramientas numéricas utilizadas, los códigos de libre acceso OpenFOAM caracterizado por el uso de modelos de turbulencia e Incompact-3D que permite obtener flujos tridimensionales basados en la simulación numérica directa de la ecuación de Navier-Stokes. A su vez, se realiza un contraste de costos computacionales, grillas necesarias y campos de velocidades obtenidas en ambos casos. Luego se realizan determinaciones de propiedades macroscópicas como ser la permeabilidad a partir de la cuantificación de perdidas de carga. También se cuantifican las perdidas de carga en función del numero de Reynolds para tres porosidades distintas, adoptando un medio poroso simple representado por barras transversales de sección cuadrada. Se presenta un estudio de cantidades turbulentas en estructuras periódicas, donde se cuantifican magnitudes como la energía cinética turbulenta y la disipación turbulenta promediadas en el volumen para diversos números de Reynolds. A su vez, se estudia la energía cinética dispersiva y la disipación dispersiva, cantidades que quedan definidas como resultantes de una representación basada en el promediado volumétrico en el elemento representativo de volumen de las variables de interés. Se presentan también las distribuciones en el medio poroso de los términos correspondientes al balance de energía cinética turbulenta. The study of fluid flow through porous media is required in the industry and in the academy due to the great number of applications that it has. This applications may be in industries such as chemical (i.e. catalytic reactors), environmental (i.e. flow through vegetation), geological (i.e. erosion and transport of rock sediments), mechanical (i.e. heat exchangers), nuclear (i.e. Pebble Bed Nuclear Reactor in which the core consist of several spheres composed of the fuel and moderator material), petroleum and natural gas (i.e. reservoir engineering, enhanced oil recovery and natural gas production). In those applications the computational cost is very high or even it may be impossible to solve the flow fields if the geometry of each individual pore is considered. It's crucial to develop new and innovative fluid dynamics models for porous media that introduce a macroscopic point of view or that apply a statistical approach of the medium. In this work, contributions to the modelling of fluid flow through porous media are made using numerical tools. The goal of the work is to obtain numerical results that help to clarify the main aspects of the flow through this structures. Those results could be used to develop new and innovatives theoretical models for an accurate description of fluid flow through porous media. The main features of each of the numerical tools used in this work are detailed, the open source code OpenFOAM characterized by the use of turbulence models and Incompact-3D that allows to obtain three-dimensional flows based on the direct numerical simulation of the Navier-Stokes equation. A comparison between RANS models and direct numerical simulation DNS is made. A grid independence study, computational cost and flow fields are obtain for both methods. Permeability determinations are made by the quantication of pressure drags in the porous media for three differents porosities, by considering a simple porous media as an array of square-section crossbars. A study of turbulent quantities in periodic structures is presented, in which magnitudes such as the turbulent kinetic energy and dissipation rate averaged in volume for various Reynolds numbers are quantied. There is also a study of the dispersive kinetic energy and the dispersive dissipation rate, magnitudes that are defined as a result of a representation based in the volumetric average of the variables in the representative elementary volume. Finally, the distributions of the terms associated to the balance of the turbulent kinetic energy are presented. 2019-06-27 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/822/1/1Sosa.pdf es Sosa, Nicolás M. (2019) Flujos turbulentos en estructuras periódicas. / Turbulent flows in periodic structures. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/822/

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