Machaca Abregú, William I. (2024) Estudio numérico del proceso de transición laminar-turbulento en canales angostos / Numerical study of the laminar-turbulent transition process in naroww channels. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
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.
Resumen en inglés
This thesis focuses on the study of laminar-turbulent transition in parallel-plate channels employing the Incompact3d code to carry out direct numerical simulations and the linear stability theory to destabilize the flow in computationally accessible domains. The objective is to address various specic aspects of this phenomenon, such as the influence of imposed disturbances at the channel inlet, the analysis of the friction coefficient peak during the transition, the influence on heat transfer, the impact of wall thickness on thermal quantities, and the role of surface roughness. The study has implications for systems experiencing transition, such as aircraft wings and fuel elements of nuclear research reactors. The study of the perturbation's influence at Re = 5000 reveals that the evolution of Reτ is roughly independent on the perturbation amplitude, while the onset of the transition is strongly dependent on it. Different transition stages are identified: the quasi-laminar zone, the late stage, the super-late stage, the transition peak, the posttransitional zone, and the fully turbulent region. The perturbation amplitude influences only up to the first state of the super-late stage. In the analysis of the friction coefficient peak phenomenon at Re = 5000, it is discovered that the presence of coherent hairpin vortices upstream the peak plays a key role in its formation. These vortices generate turbulent structures, leading to a signi-cant increase in the Reynolds shear stress and, consequently, in the friction coefficient. A quantitative assessment of this contribution is performed using Fukagata, Iwamoto y Kasagi (FIK), Renar and Deck (RD) and Xi Chen (XC) identities, revealing that, near the peak, the values of the Reynolds shear stress, turbulent kinetic energy production and turbulent dissipation terms exceed their fully developed turbulent values. From the heat transfer analysis at Re = 4200, different Prandtl numbers, and two thermal boundary conditions: uniform heat flux (UHF) and uniform wall temperature (UWT), novel thermal data in the spatial transition is obtained. This allows to develop a correlation for the Nusselt number. Moreover, a high correlation between the temperature and velocity fields near the channel walls is observed along the transition. The influence of the thermal boundary condition on second-order parameters along the transition is also discussed. For the study of conjugate heat transfer (CHT), a 3D module to solve the conduction equation in the solid domain is developed and coupled with the Incompact3d code. The heat transfer is investigated in two transition scenarios: Re = 3420 with Pr ≤ 0:71, and Re = 4200 with 0:1 ≤ Pr ≤ 1:0. Comparisons of CHT results with those calculated using UHF reveal a weak influence of wall modeling on the Nusselt number, with a maximum relative difference of 6% between both thermal boundary conditions. The analysis of wall temperature fluctuations correlates with different transition stages and shows that results for UHF are larger than those calculated with CHT. It is also found that the Reynolds number influences this quantity in the transition region but not in the turbulent zone. The analysis of roughness, in spatial simulations at Re = 6300 and temporal simulations at Re = 5000, demonstrates that roughness modies the optimal disturbance, aecting the transition onset in comparison with a smooth channel. The disturbance's influence persists up to the first state of the super-late stage, and roughness increases turbulent quantities downstream of the region where hairpin vortices populate the entire channel section. In summary, this research contributes to the fundamental understanding of the laminar-turbulent transition phenomenon and provides valuable data for the improvement and development of theories aiming to model this phenomenon.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Heat transfer; Transferencia de calor; Roughness; Rugosidad; [Transferencia de calor conjugada ; Laminar turbulent transition; Transición laminar turbulenta; Incompact 3D] |
| Referencias: | Contiene referencias bibliográfica al final de cada capítulo. |
| Materias: | Ingeniería > Energía nuclear |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Mecánica computacional |
| Código ID: | 1260 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 13 Sep 2024 11:18 |
| Última Modificación: | 13 Sep 2024 11:18 |
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