Turbulencia en flujos multifase

Institución otorgante:

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Fecha:

2023-04-18

Tipo de documento: 

info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
 

Formato:

application/pdf

Idioma:

spa

Temas:

TURBULENCIA - VELOCIMETRIA POR SEGUIMIENTO DE PARTICULAS - FLUJOS MULTIFASE - PARTICULAS LAGRANGIANAS - TURBULENCE - PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY - MULTIPHASE FLOWS - LAGRANGIANPARTICLES

Descripción:

La turbulencia se encuentra presente en una gran cantidad de flujos, tanto en la naturaleza como en la industria: las corrientes en el océano, la atmósfera terrestre durante el día, el flujo de petróleo en tuberías, la estela que dejan a su paso barcos y aviones, son procesos cuya evolución es turbulenta o está fuertemente afectada por ésta. A su vez, problemas como la eficiencia del mezclado en reactores químicos y el transporte de oxígeno que permite la vida subacuática, o la formación de nubes, entre muchos otros, resultan más naturales de ser estudiados desde un punto de vista de partículas individuales, o Lagrangiano (en contraposición a hacerlo desde un punto de vista de campo o Euleriano). Tradicionalmente, el estudio de la turbulencia sin y con partículas (multifase), suele realizarse en condiciones de turbulencia isótropa y homogénea (HIT, por sus siglas en inglés), dado que en la comunidad se cuenta con una gran cantidad de experiencia comparando este tipo de flujos en experimentos y simulaciones numéricas. Sin embargo, en condiciones reales prácticamente siempre existe una cierta anisotropía e inhomogeneidad introducida por los mecanismos que inyectan energía en el sistema. Por lo tanto, es necesario contar con la capacidad de generar flujos anisótropos y/o inhomogéneos en el laboratorio, y de simularlos fehacientemente para poder comparar y contrastar los experimentos. En esta tesis estudiamos la dinámica de partículas en distintos flujos turbulentos. A partir de trayectorias tridimensionales (3D) de partículas trazadoras en un experimento de von Kármán(VK), obtenidas utilizando velocimetría por seguimiento de partículas (PTV), realizamos una comparación entre la estadística de velocidad y aceleración con la estadística de partículas Lagrangianas en simulaciones numéricas directas (DNS) en un flujo utilizando un forzado de Taylor-Green (TG). Mostramos que la dinámica de trazadores en ambos flujos es similar, a pesar de las diferencias de condiciones de contorno y de mecanismos de inyección de energía y que la estructura de los flujos macroscópicos del VK y TG afecta de forma similar la dinámica de las partículas. Esto permite considerar al experimento de VK y a las simulaciones de TG como sistemas turbulentos anisótropos donde comparar y evaluar el efecto del flujo medio en la dinámica de partículas. Estudiamos la reconstrucción de la topología del flujo subyacente a partir de cantidades medibles como son los cruces entre trayectorias de trazadores, mostrando su relación directa con la helicidad cinética del flujo. Las similitudes entre el VK y el TG constituyen a su vez un escenario apropiado para evaluar modelos efectivos de partículas de tamaño finito con inercia propia. Estudiamos la acumulación preferencial de este tipo de partículas, cómo este fenómeno se vincula con propiedades geométricas del flujo base y discutimos la posibilidad de reconstruir estas propiedades a partir de mediciones de partículas. Presentamos una técnica para generar numéricamente estados compatibles con experimentos, a partir de la imposición de los momentos estadísticos del campo de velocidad, para poder evaluar los efectos de los forzados en la evolución de la turbulencia.

Identificador:

https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7312_Angriman