Numerical modeling of simple laboratory experiments of rotating flows

Tesis doctoral de José Manuel Lopez Alonso

A pesar de que se han llevado a cabo numerosos estudios en el ámbito de los fluidos turbulentos, su dinámica así como las causas que originan la turbulencia continúan planteando multiples interrogantes. Los experimentos sobre transición a la turbulencia se realizan generalmente en instalaciones con geometrías sencillas que permiten aislar los mecanismos físicos responsables de los cambios dinámicos en el sistema. Sin embargo, el problema es muy complejo y, a pesar de la simplicidad de los experimentos, es muy dificil alcanzar conclusiones definitivas sobre muchos de los fenómenos que se observan. Desde hace unas décadas las simulaciones numéricas complementan el trabajo de laboratorio, lo que ha acelerado notablemente el progreso de las investigaciones y también mejorado su calidad. Para comparar de una manera eficaz los resultados numéricos y experimentales es esencial llevar a cabo un proceso de calibración, en el cual las posibles discrepancias se identifican y se realizan ajustes (normalmente modificaciones en la formulación del problema) para minimizarlas al máximo. los resultados de esta tesis pretenden servir de ayuda en el proceso de calibración para el caso de fluidos en rotación y sometidos a un gradiente de temperatura, los cuales son de gran interés en aplicaciones industriales, geofísicas y astrofí­sicas. Se han realizado simulaciones numéricas del flujo contenido en cavidades cilíndricas y anulares, sometidos a gradientes térmicos tanto verticales como horizontales (convección de rayleigh–bénard rotativa y flujos de taylor–couette con calentamiento lateral). Entre las técnicas de ánalisis numérico que se han empleado para la realización de la tesis se encuentran la simulación directa de las ecuaciones, análisis de estabilidad lineal, métodos de continuación o análisis de series temporales. se han investigado tres fuentes de discrepancias entre resultados numéricos y experimentales. En primer lugar mostramos un detallado estudio sobre como una rotura de simetrí­a debida a imperfecciones en un experimento fí­sico modifica la dinámica de los sistemas idealizados que se emplean en simulaciones numéricas. Un ejemplo en el caso de convección de rayleigh–bénard rotativa es ilustrado en el cual las simulaciones capturan el comportamiento experimental cuando la rotura de simetría se introduce en la formulación del problema a través de las condiciones de contorno. En segundo lugar, consideramos la influencia de los efectos centrífugos, generalmente despreciados en el estudio de fluidos en rotación. Esto puede ocasionar importantes diferencias con los resultados experimentales en aquellos casos dónde las fuerzas centrí­fugas desempeñen un papel relevante. Por este motivo proporcionamos una sencilla aproximación de tipo boussinesq que permite considerar los efectos centrí­fugos en un sistema de referencia inercial, incluyendo efectos secundarios debidos a la rotación diferencial o una fuerte vorticidad interna, los cuales no habí­an sido considerados en ninguna formulación anterior. Tercero, discutimos la influencia de las tapaderas en la dinámica de modelos simples para el estudio de flujos baroclí­nicos. El objetivo es identificar el grado en que simulaciones axialmente periódicas, con un menor coste computacional, pueden ser usadas para reproducir resultados experimentales. En este problema se observa que las capas lí­mite producen un fuerte efecto estabilizador, que aumenta a medida que se incrementa el gradiente térmico, y provoca grandes discrepancias con respecto al origen de inestabilidad en el caso periódico. Finalmente, se ha realizado un estudio numérico de un escenario de bifurcación que ha sido reportado recientemente en experimentos sobre flujos de taylor–couette isotérmicos. La particularidad de este problema es la aparición de estados globales caracterizados por oscilaciones de gran amplitud localizadas en algunos de sus vortices. Los resultados experimentales y numéricos concuerdan.

Datos académicos de la tesis doctoral «Numerical modeling of simple laboratory experiments of rotating flows«

• Título de la tesis:  Numerical modeling of simple laboratory experiments of rotating flows
• Autor:  José Manuel Lopez Alonso
• Universidad:  Politécnica de catalunya
• Fecha de lectura de la tesis:  05/02/2015

Dirección y tribunal

• Director de la tesis
  • Francisco Marqués Truyol
• Tribunal
  • Presidente del tribunal: Carlos Manuel del Pino peñas
  • bjorn Hof (vocal)
  • (vocal)
  • (vocal)