Advección y Difusión de una Sustancia Escalar Pasiva en la Estela de una Placa Plana Bajo Forzamiento Externo

Abstract

El objetivo general del presente trabajo de título es estudiar a través de datos experimentales y simulaciones numéricas, la dinámica de la estela generada por un perfil plano y su interacción con un escalar pasivo. Este trabajo de título se enmarca en el proyecto Fondecyt Nº 1085020.

Se construyó la geometría en base a un sistema perfil plano - alerón, compuesto por una placa plana y un alerón de acuerdo a estudios experimentales realizados en el laboratorio LEAF-NL. Las simulaciones se realizaron utilizando un modelo laminar con el software Fluent v6.3.

La validación de resultados consistió en comparar los siguientes aspectos con resultados experimentales: (i) Perfiles de velocidad de estelas sin forzamiento a diferentes números de Reynolds. (ii) Perfiles de velocidad para un forzamiento sinusoidal variando la frecuencia de forzamiento. Y (iii) contornos de fluctuación de energía cinética de la estela a diferentes frecuencias.

Luego se estudió la evolución temporal de los perfiles de velocidad para frecuencias características. Se calculó la fuerza de arrastre para distintas frecuencias de forzamiento. Se estudió la dependencia del ancho de la estela con la distancia aguas abajo del alerón. Y se realizaron simulaciones numéricas incorporando la inyección de una sustancia escalar pasiva para configuraciones de estelas anteriormente simuladas, con el objetivo de determinar el efecto de la estela en la advección y difusión de la sustancia escalar.

Del proceso de validación se concluyó que las simulaciones numéricas para estelas sin forzamiento se ajustan con datos experimentales. Para el caso con alerón forzado sinusoidalmente, se encontró la presencia de una frecuencia de resonancia (fr) que aumenta el ancho de la estela y la velocidad media del perfil. Con casos forzados se obtuvo similar comportamiento al experimental, pero a frecuencias un tanto menores.

Se obtuvo que la fuerza de arrastre presenta un mínimo para fr cuando es calculada según la teoría de perfil delgado. Y presenta dos mínimos, incluido fr, si es calculado a partir de los esfuerzos de corte ejercidos en la superficie del alerón. Por otro lado, el ancho de la estela aguas abajo depende de la frecuencia de forzamiento, mostrando un comportamiento creciente.

De las simulaciones con interacción de escalar pasivo se concluyó que la estela transporta sustancia escalar aguas abajo en el flujo manteniendo la mayor parte de este dentro de los límites de la estela. Y el medio de transporte utilizado son las estructuras de vorticidad generadas por el movimiento oscilante del alerón, las cuales en su generación adquieren escalar y lo transportan aguas abajo.