Los flujos turbulentos sobre superficies rugosas se encuentran presentes en diferentes escenarios, incluyendo flujos sobre superficies aerodinámicas no regulares asi como ductos con articulaciones, los cuales son comunes en muchas aplicaciones. Rugosidad sintetica es comunmente utilizada para modificar el comportamiento de la capa límite, generalmente para lograr mejoras en las tasas de transferencia de calor y en procesos de mezclado. En cualquier caso, tales mejoras estan frecuentemente acompañadas de un aumento del coeficiente de fricción de pared, así como de otros efectos no deseados.
Para estudiar la influencia de la rugosidad de las paredes en el comportamiento de la capa límite se pueden utilizar técnicas experimentales o procedimientos numéricos precisos, por ejemplo Simulación Numérica Directa (DNS). De acuerdo a Jin y Herwig (2013), el efecto de la rugosidad se puede estudiar en tres niveles diferentes: (1) Efecto general sobre la ley de fricción, (2) Cambios en los perfiles de velocidad promediados, (3) Impacto local detallado del movimiento turbulento a tráves de las perturbaciones geométricas. Estudios recientes han mostrado que la forma y espaciamiento de las perturbaciones geométricas generan una variación de la ley logarítmica, y por tanto del comportamiento mismo de la capa limite.
Aún cuando la técnica numérica tradicional para el estudio de este tipo de fenómenos es la Simulación Numérica Directa (DNS), algunos estudios han hecho uso de modelos de turbulencia tipo LES (obviando funciones de pared y con mallas altamente refinadas en regiones cercanas a la pared), los cuales aun cuando menos precisos son mucho mas eficientes computacionalmente. Varios de tales estudios han podido capturar la influencia de las perturbaciones geométricas en el comportamiento de la capa límite en flujos turbulentos canónicos, de manera relativamente confiable. Desde el punto numérico, la dificultad para analizar y estudiar este fenómeno radica en la gran cantidad de escalas espaciales y temporales que se encuentran involucradas en las regiones cercanas a las perturbaciones geométricas y aguas abajo de las mismas. De acuerdo a lo anterior es imperativo desarrollar estrategias de discretizacion y solución numérica que permitan extraer la mayor cantidad de información posible de las escalas involucradas. Por otro lado, desde el punto de vista físico del fenómeno, el comportamiento turbulento puede ser caracterizado mediante el análisis de diferentes indicadores, tales como algunas estructuras coherentes, o mediciones del coeficiente de fricción de pared. Igualmente importante es la determinacion de los términos del presupuesto de energía cinética turbulenta (TKE).
El presente trabajo se enfoca en evaluar el comportamiento de ciertas estructuras coherentes, y en cuantificar variaciones del coeficiente de fricción de pared y de la TKE cuando se introducen perturbaciones geométricas en las paredes. Para este fin se utilizarán dos técnicas de modificación de la capa límite: primero, se utilizará un arreglo de perturbaciones geométricas cuadradas transversales al flujo; segundo, se aplicará un movimiento oscilante lateral de las perturbaciones geométricas. Específicamente, simulaciones numéricas con modelo de turbulencia LES se realizarán para estudiar un flujo turbulento en canal con la pared superior lisa y la pared inferior compuesta de un arreglo uniformemente espaciado de perturbaciones geométricas cuadradas transversales al flujo.
Uno de los principales resultados buscados sera evaluar la eficacia de metodologia LES para el estudio de el flujo turbulento indicado, y a su vez concluir acerca de los beneficios de tales tecnicas de control de arrastre. |