Experimental and numerical investigation of the flow in a toroidal cavity

Identifier:  TDX:288

Handle: https://hdl.handle.net/20.500.11797/TDX288

Authors:  Al-Shannag, Mohammad Yousuf Suliman

Abstract:
En el presente trabajo, se ha estudiado experimentalmente y numéricamente el flujo<br/>incompresible en una cavidad toroidal con una sección transversal cuadrada (DxD) y un radio<br/>de curvatura Rc. Este flujo se ha realizado en dos cavidades donde el movimiento de agua<br/>liquida se induce por un caudal externo del mismo fluido entre el borde superior de la cavidad<br/>y su tapa. La primera cavidad toroidal se ha diseñado y construido para una relación de<br/>curvatura (&#61540;&#61472;= D/Rc) alrededor de 0.51 (D = 100.0 mm y Rc = 195.0 mm). Además, el toroide<br/>previamente diseñado por Cushner (2001), para &#61540;&#61472;= 0.25 (D = 50.0 mm y Rc = 200.0 mm), se<br/>ha usado para construir la segunda cavidad. La técnicas PIV (Particle Image Velocimetry) y<br/>del fluido reoscópico se han usado para visualizar el flujo en ciertos planos verticales y<br/>horizontales. Los resultados numéricos se han obtenido mediante la integración de las<br/>ecuaciones completas de conservación de masa y cantidad de movimiento utilizando un<br/>código que cumplimenta un algoritmo de curto orden. Además de la configuración real del<br/>flujo, se ha considerado en los cálculos el flujo en la cavidad toroidal inducido idealmente por<br/>el deslizamiento radial de la pared superior.<br/>Las visualizaciones experimentales del flujo han capturado las estructuras periódicas<br/>tridimensionales para un numero de Reynolds alrededor de Re = 1000. Los cálculos<br/>2<br/>tridimensionales de los flujos ideales y reales han dado lugar a unas soluciones estacionarias<br/>de flujos bidimensionales para los números de Reynolds pequeños. A números de Reynolds<br/>más altos, el flujo bidimensional es inestable a diferentes modos de tipo centrífugo,<br/>dependiendo de la curvatura del toroide. Los modos estacionarios de longitud de onda corta<br/>son responsables en la generación del flujo tridimensional en una cavidad ligeramente<br/>curvada (&#61540;&#61472;= 0.125) inducido por el movimiento radial hacia afuera de la pared superior.<br/>Cuando el movimiento es inducido por el deslizamiento de la pared hacia dentro, se obtienen<br/>los mismos modos estacionarios para (&#61540;&#61472;&#61603;&#61472;1.0). Los modos dominantes devienen periódicos<br/>en el tiempo y con longitud de onda más larga para tanto para el caso del flujo real (&#61540;&#61472;= 0.25<br/>y 0.51) como para el caso del flujo ideal (pared con deslizamiento radial hacia afuera, con &#61540;&#61472;=<br/>0.25). Desde el punto de vista Euleriano, el comportamiento dinámico del flujo se caracteriza<br/>por la alternación periódica en el sentido de rotación de las vórtices de Taylor-Görtler. En<br/>contraste, para una cavidad fuertemente curvada (&#61540;&#61472;&#61619;&#61472;0.51) con el flujo inducido por el<br/>deslizamiento radial hacia fuera de la pared superior, los modos son estacionarios y de<br/>longitud de onda muy larga.<br/>Los vórtices de Taylor-Görtler juegan un papel importante en la mejora la trasferencia<br/>de calor en la cavidad toroidal. Se ha encontrado que los modos de Taylor-Görtler de longitud<br/>de onda más larga refuerzan consideradamente el proceso de la mezcla.<br/>Los cálculos de la energía cinética y de la vorticidad fluctuante, han demostrado que<br/>los primeros modos activos son causados principalmente por los términos de<br/>'stretching/tilting' de las fluctuaciones de vorticidad, y a través de un intercambio de energía<br/>entre la vorticidad fluctuante y la vorticidad media.