Técnicas de medición y control para el estudio de flujos térmicos

Abstract

Este trabajo trata sobre el desarrollo de técnicas experimentales para el estudio de flujos térmicos. El primer sistema en estudio es convección de Rayleigh-Bénard en una solución agua-glicerina con un elevado número de Prandtl. La inestabilidad se desarrolla al interior de una celda de convección, con razones de aspecto moderadas, sujeta a dos controladores de temperatura en lazo cerrado. Estos controladores son del tipo Proporcional Integral Derivativo (PID) y en cascada, los cuales proporcionan una estabilidad en temperatura del orden de 10^-3 K. El dispositivo experimental desarrollado permitió determinar el umbral de la inestabilidad y caracterizar la transferencia de calor, en términos del número de Nusselt, para valores del número de Rayleigh Ra<10^4. Se observó que el patrón de convección, compuesto por seis rollos transversales, permanece constante bajo las condiciones de estabilidad que proporciona el sistema de control. Luego, se aborda el problema de convección de Rayleigh-Bénard inclinada con respecto al vector de gravedad. En este caso se caracterizó la transferencia de calor para un barrido del ángulo de inclinación entre los regímenes de conducción y convección. En este rango fue posible identificar patrones de convección compuestos por rollos transversales, rollos longitudinales y un régimen dependiente del tiempo. La segunda parte del presente trabajo trata sobre la implementación de la técnica óptica Synthetic Schlieren para la reconstrucción del campo de temperatura de plumas térmicas. En esta técnica se mide la deformación de un patrón de referencia que se observa a través del medio fluido. Esta medición permite obtener el gradiente de la variable asociada a las variaciones del índice de refracción del medio. La técnica se implementó mediante el desarrollo de diversas rutinas de procesamiento de imágenes, entre las que cabe destacar un algoritmo de correlación iterativo con deformación de imágenes. El fenómeno de plumas térmicas se generó experimentalmente al interior de una cavidad mediante un elemento calefactor, que se mantiene a temperatura constante por la acción de un controlador Proporcional Integral (PI). La técnica óptica y el sistema de control permitieron obtener la evolución temporal del campo de temperatura y de potencia durante la formación y ascensión del fenómeno térmico.