Simulación numérica de la colisión entre anillos de vorticidad

Abstract

El presente trabajo de tesis tiene por objetivo estudiar la generación y posterior colisión de anillos de vorticidad idénticos, en una configuración simétrica de 60°y 120° para tres valores del número de Reynolds. Para esto, se realizan simulaciones computacionales en el sofware Fluent de ANSYS 12.0, en régimen laminar y sin transferencia de calor. Los anillos son generados simulando un mecanismo pistón en una cámara hexagonal donde se impone una función forzante para tres y seis de sus caras dependiendo de la configuración elegida. A partir de tres mallas discretas, que difieren en el número de elementos y en el tipo de estructura del mallado, se lleva a cabo una prueba de malla, donde se evalúa la precisión de los resultados con respecto al tamaño de malla y se elige la más adecuada. Los resultados fueron validados con datos experimentales obtenidos en el laboratorio LEAF-NL. Una vez generados los anillos, se estudian sus parámetros característicos cuando se desplazan en vuelo libre hacia el centro de la cavidad. Cuando se produce la colisión se estudian las propiedades fluido dinámicas en el centro del volumen de control y se caracterizan las estructuras secundarias generadas. La energía cinética se estudia de forma continua para todo el proceso, para identificar los cambios observados en la colisión. Para ambas configuraciones el número de Reynolds incide sobre parámetros cinemáticos del proceso como la velocidad de los anillos antes de la colisión y la velocidad de las estructuras formadas posterior a ésta. En tanto que el diámetro del generador incluye sobre parámetros geométricos como el diámetro de los anillos antes de la colisión y el tamaño de las estructuras formadas posterior a esta, que también está determinado por el número de anillos participantes. Durante la colisión se observa un fuerte aumento de presión en el centro del volumen de control que disminuye a medida que las estructuras generadas se alejan. En cuanto a la velocidad se observa que tiende a cero en torno al centro especialmente para la configuración de seis anillos en colisión. La energía cinética muestra variaciones asociadas a la disipación por esfuerzos viscosos en el movimiento de los anillos, y a la interacción de estos durante la colisión. La dinámica de la colisión de anillos de vorticidad aborda interesantes propiedades, como la reconexión de tubos de vorticidad que da paso a la formación de nuevas estructuras y la posibilidad de generar puntos de estancamiento en las zonas donde se produce la colisión de los anillos.