Estudio Experimental del Transporte Turbulento de Calor y Masa en Cortinas de Aire para Análisis de Confinamiento al Interior de Túneles

Abstract

El objetivo principal de este trabajo es estudiar los mecanismos de transporte turbulento de calor y masa en una cortina de aire, a fin de proveer antecedentes para la evaluación de cortinas de aire como objetos físicos capaces de confinar calor y/o masa en ambientes cerrados con geometrías tipo corredor, como túneles. El trabajo se enmarca en el proyecto FONDECYT Nº1085015, que apunta a la caracterización experimental y numérica de los fenómenos de transporte, a través de un dispositivo de cortinas de aire doble jet-doble flujo.

El estudio se llevó a cabo en un túnel de laboratorio a escala 1:34, dotado de dos dispositivos generadores de cortinas de aire en configuración doble jet-doble flujo, y de un foco de calor constituido por una resistencia eléctrica. La función deseada de las cortinas es evitar la propagación de calor y momentum hacia zonas alejadas de la resistencia.

Para analizar los mecanismos de transporte, se midieron los campos de temperatura y velocidad en dos dimensiones, en una de las cortinas de aire y su entorno inmediato. Los datos registrados se utilizaron para determinar términos asociados al transporte turbulento de calor y masa, puesto que las cortinas de aire se caracterizan por tener un régimen fluidodinámico turbulento. Las mediciones de temperatura y velocidad se llevaron a cabo con una termocupla fina de rápido tiempo de respuesta y un sistema de Anemometría Láser Doppler (LDA-2D), respectivamente.

Se obtuvieron y analizaron resultados para cuatro casos, con diferentes potencias en la fuente de calor y diferentes velocidades en la salida de los jets. En cada caso, se analizó el comportamiento de los términos asociados al transporte turbulento de calor y momentum en la zona de la cortina y su entorno inmediato. Adicionalmente se estudió el efecto de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina, mediante el cálculo del número de Richardson y el análisis espectral de las señales de velocidad en ciertos puntos en las capas de mezcla de la cortina.

Se concluye que existen zonas críticas de transporte turbulento de calor y momentum que es necesario contemplar en la evaluación de las cortinas de aire como dispositivo confinatorio. Para una mejor comprensión del fenómeno, sin embargo, es necesario realizar mediciones en un dominio más fino que el utilizado en este trabajo en el eje longitudinal; en particular, debe analizarse en mayor detalle la zona de impacto de la cortina con el suelo. Se observa, para la mayoría de los casos, un régimen de convección mixta en ciertos sectores de la cortina, verificándose la influencia térmica de la fuente de calor sobre la dinámica de la cortina; este hecho releva la importancia de estudiar configuraciones con potencias más altas que las utilizadas en este trabajo para la fuente de calor.