Berardini, Lucas D. (2019) Caracterización de flujos secundarios turbulentos en ductos curvos. / Study of turbulent secundary flows on curved ducts. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los flujos secundarios son aquellos que aparecen en planos transversales a la dirección principal del flujo, usualmente en fenómenos que involucran canales abiertos o conductos. Estos flujos tienen una magnitud relativa menor al flujo principal, y modifican la configuración del mismo. Es posible diferenciar flujos secundarios de dos naturalezas distintas. Los flujos secundarios de primer tipo se dan por la curvatura de los vectores vorticidad media, en el flujo en ductos curvos, y pueden aparecen tanto en régimen laminar como en régimen turbulento. Por el contrario, los flujos secundarios de segundo tipo aparecen únicamente en presencia de turbulencia, en flujos internos como los que involucran ductos de sección cuadrada. Existen numerosas aplicaciones tecnológicas y fenómenos naturales en los que la presencia de flujos secundarios tiene implicancias importantes. Se puede nombrar, por ejemplo, la modificación del lecho en los meandros de los ríos, o bien el uso de generadores de vapor helicoidales en la industria nuclear. Se busca en este trabajo realizar simulaciones directas de turbulencia en un ducto curvo de sección transversal cuadrada, para estudiar la interacción de los flujos secundarios de primer y segundo tipo. En este caso el flujo es forzado por un gradiente de presión que resulta homogéneo sobre la sección transversal. El código de calculo utilizado se desarrollo a partir de la adaptación de un código ya existente, validado y utilizado para realizar simulaciones en un ducto recto de sección cuadrada. Se identificaron e implementaron los cambios necesarios para representar el problema en coordenadas cilíndricas. Se utilizo un código de calculo pseudo-espectral que utiliza expansiones de Fourier en la dirección principal, y expansiones de Chebyshev en las direcciones restantes. Se estudia la in fluencia del radio medio de curvatura sobre el flujo medio y el flujo secundario, y se realiza un estudio de las modificaciones que el flujo secundario introduce en el patrón de flujo medio. Se estudian también las distribuciones de corte en las paredes del ducto, las intensidades turbulentas, la distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, y el balance de energía cinética turbulenta. Se analiza también el flujo en ductos de bajo radio y se observa la aparición de flujos secundarios producidos por inestabilidades centrífugas. En este contexto se hace un análisis del balance de momento lineal con el objetivo de entender el origen de estos flujos secundarios. Finalmente se muestran una serie de resultados globales del flujo para distintos radios de curvatura, con el objetivo de caracterizar propiedades de interés en ingeniería, tales como el factor de fricción y el mezclado turbulento.
Resumen en inglés
Secondary flows appear in the transversal plane of the direction of the main flow, usually in open channels or ducts. These flows have a magnitude which is substantially lower that the main flow and therefore tend to modify its configuration. There are two different kind of secondary flows, which have different nature. The secondary flows of the first kind are a consequence of the curvature of the mean vorticity vectors, in the presence of a curved duct, and can appear in both laminar and turbulent regimes. Secondary flows of the second kind appear only in the presence of turbulence, in internal flows such as those involving ducts of square cross section. There is a large number of technological applications and natural phenomena in which the secondary flows have important implications. We can name, for example, the modification in the bed of meanders of some rivers or the use of helical coil steam generators in the nuclear industry. The aim of this work is to perform direct numerical simulations in a curved square cross sectional duct, in order to study the interaction between the secondary flows of first and second kind. In this study, the flow is forced by a pressure gradient that is homogeneous in the cross section. The used computational code is based on the adaptation of an existing code, validated and used to perform simulations in a square straight duct. The necessary changes to represent the problem in cylindrical coordinates were identied and implemented. A pseudo-spectral code that uses Fourier expansions in the main direction, and Chebyshev expansions in the remaining directions is considered. The influence of the mean curvature radius on the mean flow and the secondary flow is studied.In addition, the influence over the mean flow pattern induced by the existence flof the secondary flow is also investigated. The shear stress distributions in the walls, the turbulent intensities, the Reynolds stresses on the section, and the turbulent kinetic energy budget are also studied. The flow in ducts of low curvature radius is also analyzed and the appearance of secondary flows produced by centrifugal instability phenomenon is observed. In order to understand the origin of these secondary flows, an analysis of the linear momentum balance is made. Finally, a set of global flow results for different radii of curvature are shown, in order to characterize properties of interest in engineering, such as the friction factor and turbulent mixing.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Turbulence; Turbulencia; Computational fluid dynamics; Dinámica de fluidos computacional; [Secundary flows; Flujo secundario; Direct numerical simulations; Simulación directa de turbulencia; Curved ducts; Ductos curvos] |
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| Materias: | Ingeniería mecánica > Mecánica computacional |
| Divisiones: | Gcia. de área de Aplicaciones de la tecnología nuclear > Gcia. de Investigación aplicada > Mecánica computacional |
| Código ID: | 841 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 15 Mar 2021 09:28 |
| Última Modificación: | 15 Mar 2021 09:28 |
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