Simulación directa de turbulencia de flujo secundario en ductos curvos

Abstract

En este trabajo se estudia el flujo secundario en ductos curvos. El flujo secundario puede ser originado por la curvatura del ducto (primer tipo) o por la presencia de la turbulencia (segundo tipo). Se analizan aquí los patrones de circulación secundaria y la influencia de ésta en el flujo medio para dos valores de radio medio de curvatura. Se observa que los patrones de corriente se ven fuertemente afectados por el flujo secundario de primer tipo que genera un desplazamiento del valor máximo hacia el radio externo mientras que el flujo secundario del segundo tipo actúa modificando los contornos de velocidad en las regiones cercanas a las paredes horizontales del ducto. Estas modificaciones impactan en los esfuerzos de corte en las paredes y, en consecuencia, en los procesos de erosión y deposición del sedimentos y en la modificación de la resistencia hidráulica del ducto. El patrón de las celdas de recirculación del flujo secundario varía en los casos estudiados lo que evidencia la existencia de distintos mecanismos de mezclado de la corriente. Para este estudio se desarrollan simulaciones directas de turbulencia (DNS, por sus siglas en inglés) empleando un código pseudoespectral.

Secondary flow can be originated by duct curvature (first kind) or by the presence of turbulence (second kind). This work focuses on the study of secondary flow in a curve duct of square section in turbulent regime by means of fully resolved direct numeric simulations. Secondary flow patterns and its influence on mean flow are analyzed for two values of duct curvature. It is observed that flow patterns are strongly influenced by secondary flow generating a displacement of the maximum value towards the external radius, which modifies velocity contours in regions near the horizontal walls of the duct. Consequently, wall shear stresses and flow recirculation cells change substantially. These findings may have an important impact on sediment erosion and deposition, and on mixing mechanisms.