Simulación Numérica del Impacto 3D de Múltiples Anillos de Vorticidad

Abstract

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, procesos de transporte y mezcla, e interacción entre distintas estructuras y escalas de vorticidad. Experimentalmente, la forma más común de generar un anillo de vorticidad es mediante el desplazamiento de una columna de fluido a través de un orificio, debido el movimiento de un pistón. El principal parámetro que caracteriza un anillo de vorticidad es el número de Reynolds del anillo en vuelo, definido como Re=U_aD_0/\nu, donde U_a es la velocidad del anillo (advección), D_0 es el diámetro del orificio de salida y \nu es la viscosidad cinemática del fluido. Además, las partes que conforman un anillo de vorticidad son su núcleo y una burbuja que envuelve al núcleo. La presente memoria tiene como objetivo estudiar la dinámica el impacto 3D de múltiples anillos de vorticidad y su influencia en los procesos de transporte y mezcla, a través de simulación numérica directa (DNS). Para cumplir con ello se simuló la generación de anillos individuales en base a los parámetros experimentales de generación impuestos por los datos del laboratorio LEAF-NL del departamento de Ingeniería Mecánica. Las simulaciones se llevaron a cabo a través de un modelo laminar en el software CFD Fluent v6.3. Los resultados de la generación de anillos fueron validados con información experimental proporcionada por el laboratorio LEAF-NL y con resultados teóricos obtenidos de la bibliografía, para posteriormente simular la generación y el impacto axial entre dos anillos, incorporando la presencia de una sustancia escalar. Del proceso de validación se concluyó que las simulaciones numéricas poseen un buen ajuste con respecto a la información experimental, con diferencias máximas entre un 5% a un 9%. Además, los resultados obtenidos concuerdan con los resultados teóricos revisados en la bibliografía. Se verificó que durante la generación de un anillo, la vorticidad perteneciente al anillo se desconecta totalmente de la vorticidad asociada al generador en el momento en que se maximiza la circulación asociada al anillo. Para el impacto axial entre dos anillos se observó que existe una diferencia energética mínima entre los dos anillos a partir de la cual el anillo menos energético se expande radialmente dejando pasar al anillo más energético. Con respecto a las propiedades de transporte y mezcla de sustancias, se encontró que al inyectar una sustancia dentro de un anillo de vorticidad parte de ésta es retenida por el núcleo del anillo y otra parte es retenida por la burbuja asociada a él. Particularmente, la masa retenida por la burbuja es liberada a una tasa entre el 3.7 al 5% de la masa total presente en el campo por unidad de tiempo. Además se observó una tendencia del núcleo a retener un porcentaje cercano al 30-35% de la masa total inyectada. Según las configuraciones propuestas, una masa de metano no es absorbida por el anillo, a menos que se incorpore directamente dentro de él o durante el proceso de generación. Se verificó que durante el impacto axial de dos anillos se inhibe en gran medida la transferencia de metano desde un anillo a otro, observándose transferencias desde un anillo a otro entre un 15 a un 17% de la masa total presente.