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.
![[img]](/style/images/fileicons/application_pdf.png)
| PDF (Tesis) Español 53Mb |
Resumen en español
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.
Resumen en inglés
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.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Turbulence; Turbulencia; Stratification; Estratificación; Fluids; Fluidos; [Secondary flow; Flujo secundario; Curved ducts; Ductos curvos; Computational mechanics; Mecánica computacional] |
| Referencias: | [1] Gessner, F. B., Jones, J. B. On some aspects of fully-developed turbulent flow in rectangular channels. Journal of Fluid Mechanics, 23, 1965. vii, 2, 3 [2] Magni, M. C., Marcel, C. P., Delmastro, D. F. Thermal-hydraulic stability investigation of once through helically coiled steam generators for smr applications. Nuclear Engineering and Design, 2022. vii, 3, 4 [3] He, Z., Zhao, L., Chen, J., Yu, C., Meiburg, E. Particle-laden gravity currents interacting with stratified ambient water using direct numerical simulations. Environmental Earth Sciences, 2021. vii, 4 [4] Ferraris, D. L., Marcel, C. P. Two-phase flow frictional pressure drop prediction in helical coiled tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2020. vii, 3, 5, 34 [5] Lopez, J. M., Marques, F., Avila, M. Conductive and convective heat transfer in fluid flows between differentially heated and rotating cylinders. International Journal of Heat and Mass Transfer, págs. 75–88, 2015. vii, vii, vii, 24, 25, 26 [6] Martorana, J. Simulación directa de turbulencia de flujo secundario con forzado no homogéneo. En: Tesis de Maestría en Ingeniería, pág. 3. Instituto Balseiro, 2017. 2, 6, 15, 19, 21, 29, 31, 32, 47 [7] El-Genk, M., Schriener, T. A review and correlations for convection heat transfer and pressure losses in toroidal and helically coiled tubes. Heat Transfer Engineering, 2016. 3 [8] Santini, L., Cioncolini, A., Lombardi, C., Ricotti, M. Two-phase pressure drops in a helically coiled steam generator. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008. 3 [9] Berardini, L. Caracterización de flujos secundarios turbulentos en ductos curvos. Proyecto integrador de Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro, 2019. 5, 6, 15, 18, 21, 29, 30, 31, 32, 34, 36, 47, 51, 99 [10] Kundu, P. K., Cohen, I. M. Fluid Mechanics, 4th edition. Academic Press, 2010. 5, 103 [11] Socolofsky, S. A., Jirka, G. H. Special topics in mixing and transport processes in environment. Lectures from Coastal and Ocean Engineering Division, Texas A&M University, 2005. 8, 106 [12] Pope, S. B. Turbulent Flows. Cambridge University Press, New York, 2000. 12 [13] Kim, J., Moin, P. Application of a fractional-step method to incompressible navier-stokes equations. Journal of Computational Physics, 1985. 15 [14] Moin, P. Fundamentals of Engineering Numerical Analysis. Cambridge University Press, 2010. 16, 18, 19 [15] Thomas, J. Numerical Partial Differential Equations: Finite Difference Methods. Texts in Applied Mathematics, 1a edición. Springer, 1999. 16 [16] Canuto, C., Hussaini, M., Quarteroni, A., Zang, T. Spectral Methods in Fluid Dynamics, 1st edition. New York Springer-verlag, 1988. 17 [17] White, F. M. Fluid Mechanics. 4a edición. McGraw-Hill, 2015. 21 [18] Incropera, F. P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley and Sons, Inc., 2011. 26, 30 [19] Ito, H. Friction factors for turbulent flows in curved pipes. Journal of Basic Engineering, 1959. 30, 34 [20] Aspiroz-Zabala, M. e. a. Newly recognized turbidity current structure can explain prolonged flushing of submarine canyons. Science Advances, pág. 2, 2017. 30 [21] Paull, C. K. e. a. Powerful turbidity currents driven by dense basal layers. Nature Communications, págs. 3,4,6, 2018. 30 [22] Simmons, S. M. e. a. Novel acoustic method provides first detailed measurements of sediment concentration structure within submarine turbidity currents. Journal of Geophysical Research: Oceans, pág. 4, 2020. 30 [23] Talling, S. M. e. a. Detailed monitoring reveals the nature of submarine turbidity currents. Nature Reviews Earth and Environment, págs. 4,6, 2023. 30 [24] Sylvester, Z., Pirmez, C. Latitudina changes in the morphology of submarine channels: reevaluatin the evidence for the influence of the coriolis force. Society for Sedimentary Geology, págs. 4,6, 2017. 30 [25] Birman, V. K., Meiburg, E. High-resolution simulations of gravity currents. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, XXVIII (2), 2006. 31 [26] Gavrilakis, S. Numerical simulation of low-Reynolds-number turbulent flow through a straight square duct. Journal of Fluid Mechanics, 1992. 47 |
| Materias: | Ingeniería nuclear > Mecánica de fluidos |
| Divisiones: | Aplicaciones de la energía nuclear > Tecnología de materiales y dispositivos > Mecánica computacional |
| Código ID: | 1273 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 13 Sep 2024 15:31 |
| Última Modificación: | 13 Sep 2024 15:31 |
Personal del repositorio solamente: página de control del documento
