Interacció entre les estructures de flux i el transport de matèria. Aplicació a un doll pla turbulent.
El chorro plano es una configuración resultante de la interacción de dos capas de corte simétricas, paralelas y de diferente signo de vorticidad. Se trata de un flujo de gran interés práctico por sus aplicaciones directas en procesos industriales y medioambientales.Este trabajo que se presenta anali...
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | Catalan |
| Published: |
Universitat Rovira i Virgili
2003
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| Online Access: | http://hdl.handle.net/10803/8519 http://nbn-resolving.de/urn:isbn:846885282 |
| Summary: | El chorro plano es una configuración resultante de la interacción de dos capas de corte simétricas, paralelas y de diferente signo de vorticidad. Se trata de un flujo de gran interés práctico por sus aplicaciones directas en procesos industriales y medioambientales.Este trabajo que se presenta analiza la interacción entre las estructuras de flujo y el transporte de materia en el chorro plano. El estudio realizado demuestra que el flujo aguas abajo está determinado por las condiciones en la región de entrada del chorro. Así, mediante perturbaciones artificiales en la entrada se puede determinar la posterior evolución de las estructuras características del flujo. Este control permite aumentar y disminuir el consumo de especies químicas en un sistema reactivo en el chorro. Escogiendo las perturbaciones adecuadas en la entrada del dominio, se puede conseguir influenciar en desarrollo de la reacción química a lo largo del chorro y obtener una conversión deseada lejos del punto donde el flujo ha sido perturbado.Para realizar este trabajo, se ha desarrollado un código de simulación de dinámica de fluidos con el lenguaje de programación Fortran 90 y bajo la interficie de envío de mensajes (MPI) entre procesadores. Este programa informático resuelve numéricamente las ecuaciones de transporte de cantidad de movimiento, energía y materia en un dominio computacional rectangular y abierto. Con las condiciones de contorno implementadas se puede incorporar fluido externo y las recirculaciones del flujo pueden salir del dominio, reproduciendo el comportamiento físico real del chorro en un dominio infinito.Las ecuaciones están discretizadas mediante diferentes esquemas: en los términos convectivos se ha utilizado un esquema QUICK de segundo orden, para los difusivos un esquema centrado y para los temporales un esquema Adams-Bashfort. Para el transporte de materia y energía se ha utilizado un esquema centrado con la corrección ULTIMATE de Leonard para los términos convectivos, ya que este esquema corrige las inestabilidades y falsas oscilaciones del transporte altamente convectivo cuando existen fuertes gradientes.El código ha sido paralelizado para poder ejecutarse en máquinas multicomputadoras.El dominio computacional se divide entre los procesadores y cada uno resuelve las 1 ecuaciones discretizadas sobre los nodos de una región determinada. Para intercambiar datos entre los diferentes procesadores se utilizan los comandos de la librería MPI (Message Passing Interface). Los resultados demuestran que hay una gran mejora en el tiempo de cálculo y que se puede conseguir una buena eficiencia si se compara con un código secuencial optimizado.Para evaluar los efectos de las perturbaciones artificiales sobre el campo de velocidades y caracterizar las estructuras coherentes se han realizado una serie de simulaciones bidimensionales a Reynolds 7000. En estos casos se han considerando chorros planos débiles, es decir, con una velocidad de flujo co-corriente alto. De esta manera la zona de autosimilitud se aleja de la entrada y se puede centrar el análisis sobre la región inicial del chorro. Con las simulaciones computacionales realizadas se ha evaluado detalladamente la influencia de las perturbaciones sobre el flujo, demostrando que las estructuras coherentes son periódicas en el tiempo.En estos casos también se ha estudiado el efecto que producen el número de Schmidt, Strouhal y Damk®ohler sobre la conversión de la reacción química en chorros con y sin premezcla de reactivos. Se ha comprobado que determinadas frecuencias de perturbaciones facilitan la formación de estructuras coherentes que mejoran la mezcla y aumentan la conversión de la reacción. También se ha demostrado la poca influencia del término difusivo ya que el flujo está fuertemente dominado por el transporte convectivo. Implementado en el código la técnica de simulación de grandes escalas con el modelo de Smagorinsky, se ha estudiado un chorro plano tridimensional turbulento a Reynolds 3000. En este caso la velocidad del _flujo co-corriente se ha escogido pequeña para obtener la región de autosimilitud cerca de la entrada y dentro del dominio computacional.Además, el chorro se ha inestabilizado aplicando un pequeño ruido en la entrada. Los resultados obtenidos para el campo dinámico presentan gran concordancia con los experimentales disponibles en la bibliografía y siguen el patrón de la zona de autosimilitud.Se ha analizado el sistema reactivo bajo estas condiciones, estudiando la evolución de la conversión en las regiones de régimen de transición y turbulento. Se ha demostrado que el gran número de estructuras existentes en la región turbulenta del campo instantáneo facilita la mezcla entre las especies químicas aumentado la conversión de los reactivos. |
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