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Simulación numérica de inestabilidades en interfases líquido-gas | Grupo de Fluidodinámica Numérica

Simulación numérica de inestabilidades en interfases líquido-gas

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  • user warning: Table './drupal_gfn_web/cache_filter' is marked as crashed and should be repaired query: UPDATE cache_filter SET data = '\n<p>(<strong>Enrique López Pagés</strong>, Febrero 2000)</p>\n\n<p>En esta Tesis se estudia el inicio y desarrollo de inestabilidades en las\nsuperficies de separación (interfase) entre dos corrientes, de un líquido y un\ngas, aguas debajo de placas separadas con bordes de salida de espesor nulo y\nfinito. Se analizan sucesivamente las capas de mezcla entre dos flujos de\nlíquido y gas, así como una lámina delgada de líquido inyectada entre dos\ncoflujos de gas. No se imponen perturbaciones iniciales y las inestabilidades se\ndesarrollan de forma natural en los sistemas, dependiendo de las\ncaracterísticas geométricas y de los parámetros del flujo.</p>\n\n<p>Se describen los estudios realizados por otros investigadores y se deducen\nlas ecuaciones correctamente adimensionalizadas. Los números de Reynolds de los\nflujos de gas y de líquido, la relación de cantidades de movimiento (a\nalternativamente de presiones dinámicas) y la relación de velocidades de las\ndos corrientes y el cociente entre los espesores de cantidad de movimiento de\nlos dos flujos (o, en general, de las longitudes características en dirección\nperpendicular a las dos corrientes) son los parámetros adimensionales\nesenciales. Un parámetro adimensional geométrico formado con el espesor de la\nplaca y otra longitud característica aparece en los casos de espesor\nfinito.</p>\n\n<p>En la solución numérica de las ecuaciones del movimiento se emplean la\ntécnica de volúmenes finitos y el código comercial PHOENICS, poniendo\nespecial énfasis en el uso de esquemas de alto orden para la discretización de\nlos términos convectivo y temporal. En todos los casos estudiados se resuelven\nlas ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad bidimensionales\npara ambas fases fluidas que se consideran incompresibles. Las ecuaciones para\nlas dos fases están acopladas a través de las condiciones de contorno\ncinemáticas y de equilibrio de esfuerzos tangenciales y normales en la\ninterfase. En el tratamiento de flujos monofásicos se incluye, además, la\necuación de transporte para la fracción de mezcla.</p>\n\n<p>Como parte de la puesta a punto y validación de esta herramienta matemática\npara simular el flujo aguas debajo de placas con bordes de salida de espesor\nnulo o finito, se ha tratado la mezcla de dos corrientes del mismo fluido de\ndensidades ligeramente diferentes para cuatro geometrías de inyección ya\ncitadas. Se reproducen las estructuras de vorticidad típicas de capas de mezcla\ny estelas monofásicas así como la tendencia correcta de la variación del\nnúmero de Strouhal en función del número de Reynolds detrás de un borde de\nsalida grueso.</p>\n\n<p>Para el estudio de flujos bifásicos se añaden al código subrutinas,\ndiseñadas como parte de este trabajo, que incluyen en la solución numérica el\nmétodo conocido como Volume of Fluid (VOF), para la localización y seguimiento\nde la interfase líquido-gas, el método llamado Continuum Surface Force, para\nla modelización de los efectos de la fuerza de tensión superficial, y\ntécnicas de direcciones alternadas en la integración temporal.</p>\n\n<p>Se estudia el comportamiento de la interfase líquido-gas en una capa de\ncortadura detrás de una placa sólida de espesor no despreciable, para\ndiferentes números de Reynolds del flujo gaseoso. Los resultados muestran la\nformación de estructuras de vórtices en la estela cercana y la relación\ndirecta entre las fluctuaciones de presión inducidas por estas estructuras y el\ndesarrollo de las inestabilidades sobre la interfase.</p>\n\n<p>Estas inestabilidades crecen generando filamentos que interactúan con dichas\nestructuras alterando a su vez la dinámica de la estela, siendo mayor la\ninfluencia para mayores números de Reynolds del coflujo. Asimismo, la\naplicación de la condición de deslizamiento de Navier a la línea de contacto\nde la interfase con el sólido no altera significativamente la evolución de la\nmisma, al menos para los valores del coeficiente de deslizamiento empleado. Los\ndesplazamientos de la línea de contacto y las variaciones del ángulo de\ncontacto parecen estar estrechamente vinculados a grandes fluctuaciones de los\ncampos fluidos en su entorno, que sólo se obtienen, en los casos analizados,\ncon la llegada de los flujos al borde de la placa, en el desarrollo no\nestacionario de los flujos.</p>\n\n<p>Se investiga también la inestabilidad de una lámina líquida delgada en\npresencia de dos coflujos gaseosos simétricos. Se analiza el comportamiento del\nsistema frente a variaciones de la relación de cantidades de movimiento de las\nfases. Se evalúa el efecto de la fuerza de tensión superficial en las\ninterfases. Asimismo, se estudian las influencias de la condición de\ndeslizamiento de las líneas de contacto, del perfil de velocidad a la salida\ndel líquido del espesor de las placas sólidas en las características de la\noscilación de la lámina.</p>\n\n<p>Los resultados muestran la dinámica de ambas fases aguas abajo del borde de\nsalida de las placas en el entorno de la inyección y la influencia de la fase\ngaseosa sobre la interfase. El desprendimiento de vórtices en la fase gaseosa\ndetermina los campos de presión y vorticidad que provocan la oscilación y\ndeformación de la lámina y fija, entre otras características, la frecuencia\nde oscilación y longitud e la perturbación desarrollada sobre la interfase.\nPara grandes relaciones de flujos de cantidades de movimiento de orden unidad\no mayores, la frecuencia de oscilación de la lámina se aproxima notablemente\na la frecuencia de desprendimiento de vórtices gaseosos. En todos los casos, la\nvelocidad de fase de la perturbación desarrollada se mantiene aproximadamente\nconstante como predicen los resultados de la teoría de estabilidad lineal. La\nfuerza de tensión superficial, para los casos analizados, no cambia\nsensiblemente la frecuencia de oscilación de la lámina ni la longitud de onda;\nsin embargo, parece aumentar la distancia de lámina sin grandes deformaciones y\npermite la interacción entre las estructuras de vórtices que se generan a\nambos lados de la misma. Esta interacción permite el desarrollo de otros modos\nde oscilación. La aplicación de la condición de deslizamiento de Navier, por\nsu parte, disminuye la frecuencia de oscilación de la lámina, sin modificar la\nvelocidad de fase. Diferentes perfiles de velocidad de la fase líquida a la\nsalida modifican la dinámica de ambas fases en ese entorno y los valores de\nfrecuencia de oscilación y de longitud de onda, sin alterar significativamente\nla velocidad de fase. 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(Enrique López Pagés, Febrero 2000)

En esta Tesis se estudia el inicio y desarrollo de inestabilidades en las superficies de separación (interfase) entre dos corrientes, de un líquido y un gas, aguas debajo de placas separadas con bordes de salida de espesor nulo y finito. Se analizan sucesivamente las capas de mezcla entre dos flujos de líquido y gas, así como una lámina delgada de líquido inyectada entre dos coflujos de gas. No se imponen perturbaciones iniciales y las inestabilidades se desarrollan de forma natural en los sistemas, dependiendo de las características geométricas y de los parámetros del flujo.

Se describen los estudios realizados por otros investigadores y se deducen las ecuaciones correctamente adimensionalizadas. Los números de Reynolds de los flujos de gas y de líquido, la relación de cantidades de movimiento (a alternativamente de presiones dinámicas) y la relación de velocidades de las dos corrientes y el cociente entre los espesores de cantidad de movimiento de los dos flujos (o, en general, de las longitudes características en dirección perpendicular a las dos corrientes) son los parámetros adimensionales esenciales. Un parámetro adimensional geométrico formado con el espesor de la placa y otra longitud característica aparece en los casos de espesor finito.

En la solución numérica de las ecuaciones del movimiento se emplean la técnica de volúmenes finitos y el código comercial PHOENICS, poniendo especial énfasis en el uso de esquemas de alto orden para la discretización de los términos convectivo y temporal. En todos los casos estudiados se resuelven las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad bidimensionales para ambas fases fluidas que se consideran incompresibles. Las ecuaciones para las dos fases están acopladas a través de las condiciones de contorno cinemáticas y de equilibrio de esfuerzos tangenciales y normales en la interfase. En el tratamiento de flujos monofásicos se incluye, además, la ecuación de transporte para la fracción de mezcla.

Como parte de la puesta a punto y validación de esta herramienta matemática para simular el flujo aguas debajo de placas con bordes de salida de espesor nulo o finito, se ha tratado la mezcla de dos corrientes del mismo fluido de densidades ligeramente diferentes para cuatro geometrías de inyección ya citadas. Se reproducen las estructuras de vorticidad típicas de capas de mezcla y estelas monofásicas así como la tendencia correcta de la variación del número de Strouhal en función del número de Reynolds detrás de un borde de salida grueso.

Para el estudio de flujos bifásicos se añaden al código subrutinas, diseñadas como parte de este trabajo, que incluyen en la solución numérica el método conocido como Volume of Fluid (VOF), para la localización y seguimiento de la interfase líquido-gas, el método llamado Continuum Surface Force, para la modelización de los efectos de la fuerza de tensión superficial, y técnicas de direcciones alternadas en la integración temporal.

Se estudia el comportamiento de la interfase líquido-gas en una capa de cortadura detrás de una placa sólida de espesor no despreciable, para diferentes números de Reynolds del flujo gaseoso. Los resultados muestran la formación de estructuras de vórtices en la estela cercana y la relación directa entre las fluctuaciones de presión inducidas por estas estructuras y el desarrollo de las inestabilidades sobre la interfase.

Estas inestabilidades crecen generando filamentos que interactúan con dichas estructuras alterando a su vez la dinámica de la estela, siendo mayor la influencia para mayores números de Reynolds del coflujo. Asimismo, la aplicación de la condición de deslizamiento de Navier a la línea de contacto de la interfase con el sólido no altera significativamente la evolución de la misma, al menos para los valores del coeficiente de deslizamiento empleado. Los desplazamientos de la línea de contacto y las variaciones del ángulo de contacto parecen estar estrechamente vinculados a grandes fluctuaciones de los campos fluidos en su entorno, que sólo se obtienen, en los casos analizados, con la llegada de los flujos al borde de la placa, en el desarrollo no estacionario de los flujos.

Se investiga también la inestabilidad de una lámina líquida delgada en presencia de dos coflujos gaseosos simétricos. Se analiza el comportamiento del sistema frente a variaciones de la relación de cantidades de movimiento de las fases. Se evalúa el efecto de la fuerza de tensión superficial en las interfases. Asimismo, se estudian las influencias de la condición de deslizamiento de las líneas de contacto, del perfil de velocidad a la salida del líquido del espesor de las placas sólidas en las características de la oscilación de la lámina.

Los resultados muestran la dinámica de ambas fases aguas abajo del borde de salida de las placas en el entorno de la inyección y la influencia de la fase gaseosa sobre la interfase. El desprendimiento de vórtices en la fase gaseosa determina los campos de presión y vorticidad que provocan la oscilación y deformación de la lámina y fija, entre otras características, la frecuencia de oscilación y longitud e la perturbación desarrollada sobre la interfase. Para grandes relaciones de flujos de cantidades de movimiento de orden unidad o mayores, la frecuencia de oscilación de la lámina se aproxima notablemente a la frecuencia de desprendimiento de vórtices gaseosos. En todos los casos, la velocidad de fase de la perturbación desarrollada se mantiene aproximadamente constante como predicen los resultados de la teoría de estabilidad lineal. La fuerza de tensión superficial, para los casos analizados, no cambia sensiblemente la frecuencia de oscilación de la lámina ni la longitud de onda; sin embargo, parece aumentar la distancia de lámina sin grandes deformaciones y permite la interacción entre las estructuras de vórtices que se generan a ambos lados de la misma. Esta interacción permite el desarrollo de otros modos de oscilación. La aplicación de la condición de deslizamiento de Navier, por su parte, disminuye la frecuencia de oscilación de la lámina, sin modificar la velocidad de fase. Diferentes perfiles de velocidad de la fase líquida a la salida modifican la dinámica de ambas fases en ese entorno y los valores de frecuencia de oscilación y de longitud de onda, sin alterar significativamente la velocidad de fase. Finalmente, el espesor nulo de las placas cambia los valores de la frecuencia oscilación de la lámina, pero no modifica la velocidad de fase ni la dinámica del proceso.