Modelación numérica de los coeficientes de arrastre y sustentación hidrodinámica generados por el flujo de un fluido Ostwald-de Waele en torno a una partícula esférica en contacto con una pared

Abstract

En este trabajo de título se utilizó modelación numérica en OpenFOAM para el estudio de las fuerzas hidrodinámicas que ejerce un fluido no newtoniano tipo Ostwald-de Waele en régimen laminar sobre una partícula esférica estática en contacto a una condición de pared. La revisión bibliográfica no arroja resultados en la literatura disponible actualmente que aborden de forma directa el trabajo planteado, es por eso que se considera una serie de casos similares, que aporten información del comportamiento de las fuerzas hidrodinámicas ante la variación del número de Reynolds y las propiedades del modelo reológico. Se considera el caso de una esfera estática enfrentada a un flujo en medio infinito, donde Turton & Levenspiel(1986) o Concha & Almendras (1979) pueden aportar a conocer como se modifica el coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds. También el caso de esfera cercana a una condición de pared , donde se dificulta encontrar expresiones semiteóricas o experimentales, y se recurre a expresiones para el arrastre y la sustentación basadas en modelación numérica por Ekanayake et al (2018) o Sweeney & Finlay (2007). Por último, se considera el caso de esfera en medio infinito bajo un modelo reológico distinto al newtoniano, a través de Chhabra (2007) o Betancourt et al (2015). El planteamiento de todos estos efectos en conjunto, construyen el caso de estudio de esta memoria. El hecho de no encontrar literatura con la que contrastar los resultados, obliga a generar una metodología de validación, que asegure la adecuada modelación numérica. Para ello, se plantea validar de manera independiente cada uno de los efectos influyentes sobre el caso de estudio, considerando para ello todos los casos descritos en la revisión bibliográfica. Una vez simulados estos modelos y contrastados con las referencias, se realizan las simulaciones asociadas al caso objetivo de este trabajo, incorporando todas las variables anteriormente validadas. Los resultados obtenidos muestran que para el caso en medio infinito, existe un coeficiente de arrastre decreciente en función del número de Reynolds, sin presencia de una fuerza de sustentación debido a la simetría en las direcciones perpendiculares al flujo. La introducción de una pared en contacto a la esfera induce asimetría en la distribución de presiones y velocidades, lo cual genera la aparición de una fuerza de sustentación además del arrastre. En este caso, ambos coeficientes son decrecientes en función del número de Reynolds. Por último, la introducción de un modelo reológico ley de potencia disminuye los coeficientes de arrastre y sustentación a menores índices de flujo. El conjunto de todas estas condiciones, genera la disminución del arrastre y sustentación hasta en un 50\% para un índice de flujo de n=0.5 con respecto al caso newtoniano. Como cierre, se discute la validez del modelo utilizado, haciendo foco en el caso del modelo no Newtoniano, con respecto al cual no se posee bibliografía que aporte información sobre como influye la variación de los índices de flujo en el rango de validez del régimen laminar usualmente considerado para el caso Newtoniano.