Tipos de Flujos Turbulentos y Modelos de Turbulencia en Ingeniería

Tipos de Flujos Turbulentos

Turbulencia en Flujos Confinados

Fuerzas de fricción en paredes fijas.

Turbulencia Libre

Flujo de capas de fluido con diferentes velocidades.

Turbulencia Homogénea

Fluctuaciones de velocidad tienen propiedades estadísticas independientes de la posición.

Turbulencia Estacionaria

Fluctuaciones de velocidad tienen propiedades estadísticas independientes del tiempo.

Turbulencia Isotrópica

Igualdad de desorden en todas las direcciones, no hay esfuerzos cortantes.

Turbulencia Anisotrópica

Existe un gradiente de velocidad media (cortante turbulento).

Descripción de la Turbulencia

Naturalmente Fluctuante

Las magnitudes fluidas (presión, velocidad, etc.) fluctúan en torno a un valor medio. Estas fluctuaciones son además de naturaleza tridimensional.

Aparición de Remolinos

Las capas de fluido están acomodadas en estructuras coherentes llamadas vórtices, con una amplia distribución de tamaños, que van desde la dimensión del conducto hasta el tamaño en el cual se disipa el movimiento bajo acción de la viscosidad.

Mantenimiento Autónomo

Los remolinos grandes generan remolinos pequeños.

Disipación

La fluctuación asociada provoca que los mecanismos de difusión de calor, masa y cantidad de movimiento sean mucho más efectivos.

Desarrollo de la Turbulencia

Cerca del punto donde el fluido entra en contacto con la placa se desarrolla la llamada capa laminar, puesto que se tiene un Re de valor pequeño. A medida que aumenta este valor Re y se alcanza el valor crítico, se producen la pérdida de estabilidad y aparecen las ondas no laminares o perturbaciones en la dirección perpendicular al flujo. Más adelante, sigue el aumento de Re, estas ondas pierden su forma transversal y comienzan a aparecer los vórtices en la dirección del flujo. Con valores altos de Re se observa la desaparición de flujo unidireccional y pasa a ser tridimensional.

Aguas abajo (salida) de la placa aparecen grupos turbulentos completamente desarrollados. Estos grupos crecen en tamaño y frecuencia.

Por último, estos paquetes o grupos anteriores se unen y crean la conocida como zona de turbulencia totalmente desarrollada.

Cambio de flujo laminar a turbulento cuando Re > 5*10^5

Resumen

Flujos turbulentos no estacionarios, tridimensionales e irregulares, contienen un amplio rango de escalas de tiempo y longitud. Los flujos turbulentos son gobernados por ecuaciones de Navier-Stokes, pero necesitan resolver todas las escalas.

Promedio de Reynolds: técnica usada para eliminar pequeñas escalas. La aplicación de esta técnica lleva a ecuaciones de Reynolds Averaged Navier-Stokes. Términos de esfuerzos de Reynolds deben ser modelados. Modelos EVM y RSM. Modelo EVM está basado en hipótesis de Boussinesq, se pueden clasificar en función del número de ecuaciones necesarias para resolver la viscosidad turbulenta.

Modelos Turbulentos

Modelos de 1 Ecuación

Spalart-Allmaras: Económico y preciso en capas límite sujetas a gradientes adversos de presión, simulación mallas gruesas con precisión de cálculo no importante, recientes – peores predicciones en flujos separados masivamente, cortantes libres y turbulencia.

Modelos de 2 Ecuaciones

1. K-ε Estándar

2 ecuaciones para cálculo viscosidad turbulenta, flujos Re altos, estándar = coeficientes usados, otros términos: flotabilidad, disipación x compresibilidad, se deben fijar las condiciones de contorno de entrada: intensidad turbulenta y longitud escala, modelo preciso – económico – malo en flujos con gran curvatura y Re bajos.

2. K-ε RNG

Permite modificar viscosidad turbulenta para tener en cuenta giro, introduce términos flotación, etc. Limitaciones de un modelo isotrópico.

3. K-ε Realizable

Ecuación de k =, ecuación ε basada en transporte de fluctuación de vorticidad, Cμ variable, mejora predicciones recirculación – fuertes gradientes – chorros, limitado a isotropía de modelo.

Modelos de Más Ecuaciones

RSM

Resuelve ecuaciones de transporte para cada término del tensor de esfuerzos turbulentos de Reynolds y para ε. 7 ecuaciones, apropiado para casos de anisotropía de turbulencia con efecto dominante sobre flujo medio: remolinos, corrientes secundarias, etc.

Modelos de Pared

Las paredes son focos de turbulencia – la capa límite viscosa y térmica aumentan – zona de fuertes gradientes – fidelidad de resultados fuerzas aerodinámicas en flujos externos, pérdida de carga flujos internos depende de predicciones locales de esfuerzos cortantes – arrastre por presión depende de extensión de región de separación – comportamiento intercambiadores determinado por transferencia de calor turbulenta cuya predicción depende de cómo se modele zona pared – uso de malla fina en zona pared muy caro en simulaciones industriales – modelar zona pared es muy importante en aplicaciones industriales.

Modelos K-ε y RSM

Válidos en región turbulenta (centro conducto) y capa logarítmica (difusión isotrópica, disipación isotrópica, parámetros basados en experimentos turbulencia isotrópica). Necesario tratamiento diferente zona pared.

Funciones de Pared

Conjunto de leyes que suponen condiciones de contorno de las ecuaciones de cantidad de movimiento, energía, especies, cantidades turbulentas, etc.

Función de Pared Estándar

K se obtiene de ecuación de transporte (no se resuelve subcapa viscosa, centroide capa logarítmica, ecuación local en superficie dK/dn = 0), poco fiables cuando celda próxima a subcapa viscosa. Zona afectada por viscosidad no se resuelve, malla cerca de la pared relativamente gruesa, centroide de la celda proporcionada por funciones de pared empíricas. Importante tener algunas celdas dentro de capa límite.

Limitaciones Capa Estándar

Hipótesis no válidas cuando: gradiente de presión severo, fuerzas másicas grandes, curvatura grande, flujos altos 3D, estancamiento, Re bajos.

Función de Pared Enhanced

Usada para Re bajos con fenómenos complejos cerca de pared, necesita malla fina cerca de pared, modelos turbulentos se modifican en capa inferior. Importante al menos 10 celdas dentro de región afectada. Modelo de dos capas (1. Zona afectada por viscosidad, cerca de pared Re < 200. 2. Núcleo turbulento Re > 200). Modelo dinámico y adaptable con tratamiento de pared mejorada para modelos K-ε y RSM.

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