Transporte de una sustancia escalar pasiva mediante anillos de vorticidad

Abstract

Los anillos de vorticidad son estructuras compactas que se deben a la rotación de fluido en torno a un eje circular y que se desplazan sobre su eje axial con una velocidad inducida por el propio giro del fluido. El estudio de anillos de vorticidad ha sido ampliamente documentado debido a sus potenciales aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería, tales como, generación de sonido o procesos de transporte y mezcla. La forma más utilizada experimentalmente de generar un anillo de vorticidad es mediante el desplazamiento de una columna de fluido a través de un orificio en una placa plana. El principal parámetro que caracteriza un anillo de vorticidad es el número de Reynolds, definido como Re = Ua D0/, donde Ua es la velocidad de advección del anillo, D0 es el diámetro del orificio de salida y  es la viscosidad cinemática del fluido. Esquemáticamente y para efectos de resultados, los anillos de vorticidad pueden ser representados por un elipsoide oblato al cual se le llama burbuja y por un núcleo que toma la forma de un toro de revolución donde se concentra la vorticidad del fenómeno.

El presente trabajo cuenta con el apoyo del proyecto FONDECYT 1085020 que estudia el comportamiento de escalares pasivos en campos de velocidad generados por diversas estructuras. En este trabajo se estudiaron los mecanismos de transporte y difusión de una sustancia escalar pasiva producto del campo de velocidad generado por anillos de vorticidad. Utilizando el software CFD Fluent v6.3 se resolvieron numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes en tres dimensiones mediante simulación numérica directa (DNS) y la ecuación de transporte de la sustancia escalar. Los resultados de la generación de anillos 3D fueron validados con información experimental proporcionada por el laboratorio LEAF-NL y con resultados teóricos conocidos.

La validación experimental determinó que los anillos generados numéricamente difieren en menos de un 10% de los anillos estudiados experimentalmente. Se verificó que, para la geometría escogida, la dinámica de un anillo de vorticidad se relaciona directamente con los parámetros de generación encontrándose esas relaciones. Al hacer pasar un anillo de vorticidad por una distribución uniforme de escalar a modo de una pared delgada se verificó que la cantidad de sustancia retenida por el anillo es directamente proporcional al espesor de la pared y al número de Reynolds del anillo. En el caso en que la sustancia escalar es introducida en el anillo durante la generación, se establece que el transporte de la sustancia dentro de la burbuja y del núcleo del anillo decaen según una ley lineal en la mayoría de los casos, sin embargo para distancias cortas, un anillo puede transportar entre un 40 y un 70% de la masa inyectada justo durante su formación.