Turbulencia homogénea e isotrópica
Fecha
2016
Autores
Título de la revista
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Usando una malla activa basada en los diseños de Makita (Makita y Sassa (1991)) y una malla pasiva (Isaza et al. (2014)) fue caracterizado un flujo turbulento homogéneo e isotrópico con cero de velocidad media, por sus funciones de estructura, su espectro de energía, sus funciones de densidad de probabilidad y sus estadísticas condicionadas, en función del número de Reynolds definido por Taylor (Rλ = phu2iλ/ν, donde hu2i es la varianza de la fluctuación de la velocidad longitudinal, ν la viscosidad cinemática y λ la micro escala de Taylor) -- La turbulencia fue generada en un túnel de viento horizontal, de succión y de circuito abierto de 91 × 91 cm2 de sección transversal y 9,1 m de longitud -- La malla pasiva consistió en un arreglo de barras cuadradas con una separación entre las barras que conforman la malla de 10,16 cm, mientras que la malla activa consistió en un arreglo de barras redondas con alas rectangulares que rotaban de forma aleatoria con una separación entre barras de 12,1 cm -- El valor medio de la velocidad del aire en el túnel varió entre 3 y 12 m/s dando una variación para Rλ entre 100 y 1200 -- El campo de velocidades fue medido con anemometría de hilos calientes con sensores TSI 1241 y TSI 1210 fabricados con una aleación de platino y rodio (al 10%) de 2,54μm de diámetro y una relación de diámetro longitud de aproximadamente 200 operados con una relación de sobrecalentamiento de 1,6, en conjunto con anemómetros de temperatura constante Dantec 55M01 -- Todas las señales fueron filtradas para eliminar los ruidos de alta y baja frecuencia y digitalizadas con un convertidor A/D (análogo a digital) de 16 bits -- Los resultados del estudio indicaron que la energía cinética turbulenta decae siguiendo una ley de potencias; los coeficientes de esta ley, determinados por diversos métodos, fueron dependientes de las condiciones iniciales -- El exponente n de la ley de potencia definió dos regiones de decaimiento, el campo cercano y el campo lejano -- Se encontró que en el campo cercano la pendiente fue mayor que para el campo lejano lo que indica un mayor decaimiento de energía para la primera región; además, la región del campo cercano se extendió desde x/M ∼ 4 hasta x/M ∼ 12, donde x es la distancia desde la ubicación de la malla hasta la posición de medición -- Para la malla activa no fueron medidas posiciones en el campo cercano -- Otras estadísticas, como la derivada de la velocidad y la relación de anisotropía, indican que la extensión del período inicial dependió de Rλ, cuanto mayor fue el número de Reynolds, mayor fue la extensión del período inicial, extendiéndose hasta x/M ∼ 19 para las mayores velocidades -- Del análisis de las funciones de densidad de probabilidad (PDF) de la velocidad se encontró que dichas funciones para el campo de velocidades generado por la malla pasiva son cercanas al comportamiento de las funciones de distribución normales o Gaussianas, con valores de asimetría y curtosis cercanos a cero y tres, respectivamente -- Los PDF del campo de velocidades para la malla activa adquirieron valores de asimetría y curtosis ligeramente mayores de los esperados, por lo que su comportamiento se aleja del comportamiento Gaussiano, atribuido también al aumento de Rλ -- De las funciones de estructura se encontró que para números de Reynolds elevados hay aproximadamente tres décadas de números de onda en el rango inercial; además fue posible calcular las exponentes de escala longitudinales y transversales que sirvieron para determinar la intermitencia de la turbulencia, que se manifiesta en la diferencia de los valores de dichos exponentes con la predicción de Kolmogorov (K41) -- Los resultados mostraron que la intermitencia se manifiesta en los momentos mayores al orden 3 y son dependientes de Rλ; cuanto mayor fue Rλ mayor fue entonces el grado de intermitencia encontrado -- La pendiente del espectro, n1, y la constante C del espectro de energía también dependieron del número de Reynolds; pues sólo se alcanzaron los valores esperados de −5/3 para Rλ mayores de 600; C se vuelve constante para Rλ > 350 pero con un valor de ∼ 0,7 -- Del análisis de los PDF de la diferencia de velocidades u(ri ) y v(ri ) donde ri es un distancia dentro del rango inercial, la disipación condicionada, y otras estadísticas mostraron que hay una diferencia cualitativa entre la turbulencia para la malla pasiva y la malla activa, debido principalmente a los altos números de Reynolds alcanzados con la malla activa, marcando entonces una fuerte dependencia de las estadísticas condicionadas para la diferencia de velocidades de Rλ
Descripción
Palabras clave
Escala de Kolmogorov, Escala de Taylor