Estudio del acoplamiento hidrodinámico en un flujo de Taylor-Couette con cilindro libre

Abstract

Desde hace más de un siglo se ha estudiado el flujo en el intersticio entre dos cilindros que giran a velocidades angulares independientes. Las condiciones naturales de simetría en el caso en que los dos cilindros son coaxiales permitieron obtener campos analíticos de presión y velocidad (que se utilizaron para determinar la viscosidad de los fluidos), modelar la formación de estructuras vorticiales para ciertas configuraciones y describir en general el sistema. Hasta la fecha no se ha encontrado bibliografía con referencia a haber liberado esta condición de coaxialidad. En este trabajo se estudia un sistema tipo Taylor-Couette pero con el cilindro interior libre, es decir, acoplado al cilindro externo sólo por el fluido. Para esto, se construyó un montaje experimental que controla la velocidad de giro del cilindro externo, y se midió el flujo interno y el comportamiento del cilindro interno. Además, se hacen modelaciones numéricas del sistema. Se encontró que el sistema establece 4 regímenes para diferentes velocidades de excitación, de los cuales 3 ya habían sido reportados para esferas pequeñas en flujos rotatorios. El cuarto régimen, corresponde a la levitación estable del cilindro interno en el flujo, este trabajo se centra principalmente en la descripción de este régimen. Se hicieron PIV y simulaciones numéricas del flujo tridimensional del sistema en el régimen de levitación. En las secciones donde no hay intersección con el cilindro interno se encuentra un flujo tipo rotación sólida y en el resto un flujo compuesto por 3 circulaciones principales. La posición de levitación queda caracterizada por un radio de equilibrio, que depende exclusivamente de la geometría del sistema, y una posición angular que varía con la masa y la velocidad de excitación del sistema. Para velocidades de excitación relativamente bajas, la velocidad angular del cilindro interno es opuesta a la velocidad del cilindro externo y para velocidades mayores de excitación, el cilindro interno deja de rotar.