Turbulencia en flujos multifase

• Autores: Angriman, Sofía
• Año de publicación: 2023
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Cobelli, Pablo Javier; Mininni, Pablo Daniel
• Materia: TURBULENCIA; VELOCIMETRIA POR SEGUIMIENTO DE PARTICULAS; FLUJOS MULTIFASE; PARTICULAS LAGRANGIANAS; TURBULENCE; PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY; MULTIPHASE FLOWS; LAGRANGIANPARTICLES
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La turbulencia se encuentra presente en una gran cantidad de flujos, tanto en la naturaleza como en la industria: las corrientes en el océano, la atmósfera terrestre durante el día, el flujo de petróleo en tuberías, la estela que dejan a su paso barcos y aviones, son procesos cuya evolución es turbulenta o está fuertemente afectada por ésta. A su vez, problemas como la eficiencia del mezclado en reactores químicos y el transporte de oxígeno que permite la vida subacuática, o la formación de nubes, entre muchos otros, resultan más naturales de ser estudiados desde un punto de vista de partículas individuales, o Lagrangiano (en contraposición a hacerlo desde un punto de vista de campo o Euleriano). Tradicionalmente, el estudio de la turbulencia sin y con partículas (multifase), suele realizarse en condiciones de turbulencia isótropa y homogénea (HIT, por sus siglas en inglés), dado que en la comunidad se cuenta con una gran cantidad de experiencia comparando este tipo de flujos en experimentos y simulaciones numéricas. Sin embargo, en condiciones reales prácticamente siempre existe una cierta anisotropía e inhomogeneidad introducida por los mecanismos que inyectan energía en el sistema. Por lo tanto, es necesario contar con la capacidad de generar flujos anisótropos y/o inhomogéneos en el laboratorio, y de simularlos fehacientemente para poder comparar y contrastar los experimentos. En esta tesis estudiamos la dinámica de partículas en distintos flujos turbulentos. A partir de trayectorias tridimensionales (3D) de partículas trazadoras en un experimento de von Kármán(VK), obtenidas utilizando velocimetría por seguimiento de partículas (PTV), realizamos una comparación entre la estadística de velocidad y aceleración con la estadística de partículas Lagrangianas en simulaciones numéricas directas (DNS) en un flujo utilizando un forzado de Taylor-Green (TG). Mostramos que la dinámica de trazadores en ambos flujos es similar, a pesar de las diferencias de condiciones de contorno y de mecanismos de inyección de energía y que la estructura de los flujos macroscópicos del VK y TG afecta de forma similar la dinámica de las partículas. Esto permite considerar al experimento de VK y a las simulaciones de TG como sistemas turbulentos anisótropos donde comparar y evaluar el efecto del flujo medio en la dinámica de partículas. Estudiamos la reconstrucción de la topología del flujo subyacente a partir de cantidades medibles como son los cruces entre trayectorias de trazadores, mostrando su relación directa con la helicidad cinética del flujo. Las similitudes entre el VK y el TG constituyen a su vez un escenario apropiado para evaluar modelos efectivos de partículas de tamaño finito con inercia propia. Estudiamos la acumulación preferencial de este tipo de partículas, cómo este fenómeno se vincula con propiedades geométricas del flujo base y discutimos la posibilidad de reconstruir estas propiedades a partir de mediciones de partículas. Presentamos una técnica para generar numéricamente estados compatibles con experimentos, a partir de la imposición de los momentos estadísticos del campo de velocidad, para poder evaluar los efectos de los forzados en la evolución de la turbulencia.
Turbulence is present in a great number of flows, in nature as well as in the industry: currents in the ocean, the Earth’s atmosphere during the day, oil flow in pipes, the wake left behind by boats and planes, are all processes whose evolution is either turbulent or heavily affected by it. Moreover, problems such as the mixing efficiency in chemical reactors and oxygen transport which enables life under water, or cloud formation, among many others, are more natural to tackle by studying the dynamics of individual particles or from a Lagrangian viewpoint (as opposed to analyzing the dynamics of fields or from an Eulerian point of view). Traditionally, the study of single and multiphase flows is done assuming that the turbulence is isotropic and homogeneous (HIT), since the community has a great deal of experience in comparing these types of flows in experiments and numerical simulations. However, in real conditions the energy injection mechanisms practically always leave an imprint in the flow, causing it to be anisotropic and inhomogeneous to a certain point. Therefore, being able to generate anisotropic and/or inhomogeneous flows in the laboratory is key, as well as being able to perform reliable simulations to compare and contrast with experiments. In this thesis we study the dynamics of particles in different types of turbulent flows. From three-dimensional (3D) trajectories of tracing particles in a von Kármán (VK) experiment, obtained from particle tracking velocimetry (PTV) experiments, we compare the velocity and acceleration statistics of these particles with the statistics of Lagrangian particles in direct numerical simulations (DNS) of a Taylor-Green (TG) flow. We show that, in spite of the differences in boundary conditions and energy injection mechanisms, the dynamics of tracer particles in the VK and TG flows are similar, and that the macroscopic flow present in these setups affects the tracers’ dynamics similarly. Thus, we regard the VK experiment and the TG DNSs as anisotropic turbulent systems in which we can compare and evaluate the effect of a mean flow on particles’ dynamics. We study the reconstruction of the underlying flow’s topology from measurable quantities such as the crossings between tracer particles’ trajectories, showing their direct link with the flow’s kinetic helicity. The similarities between the VK and TG flow result in these two setups being suitable for evaluating effective models of finite size particles with inertia. We analyze the clustering of these types of particles, how this phenomenon is related to the geometrical properties of the carrier flow and discuss the possibility of reconstructing these properties from the particles. We present a technique to numerically mimic experimental turbulent states by imposing statistical moments of the velocity field, with the goal of evaluating forcing effects on the evolution of the turbulence.
Fil: Angriman, Sofía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.