Estudio teórico y experimental de la estabilidad y rotura de vórtices en conductos

Abstract

Esta tesis constituye una contribución al estudio de los flujos con giro. Este estudio se realiza desde un punto de vista teórico, mediante la simulación numérica y el análisis de estabilidad espacial y, desde un punto de vista experimental, gracias al montaje que se ha realizado en el laboratorio. Trata de explicar, además, la posible relación entre el fenómeno de la rotura de vórtices y las inestabilidades hidrodinámicas de un flujo con giro intenso en conductos, ya sean de sección constante o variable. Se ha proporcionado una técnica sencilla de aplicación del criterio de Briggs y Bers para la caracterización de la aparición de la inestabilidad absoluta en el flujo de Hagen-Poiseuille con rotación como sólido rígido. Se ha generalizado el análisis de estabilidad espacial para tener en cuenta la variación axial del flujo mediante la técnica PSE.Los resultados obtenidos con esta formulación (análisis de estabilidad espacial no paralelo) están en buena concordancia con resultados experimentales publicados con anterioridad, caracterizando correctamente la coordenada en la que aparece la inestabilidad, la longitud de onda, la frecuencia y el número de onda azimutal. Se encuentra, además, que el flujo de Hagen-Poiseuille con una rotación como sólido rígido se hace inestable antes de que llegue a desarrollarse. Este flujo puede, además, ser absolutamente inestable sin que se produzca una rotura de vórtice. Se ha diseñado un experimento para generar un flujo con giro que permite realizar mediciones cuantitativas y cualitativas del flujo, además de ser relativamente fácil de similar axilsimétricamente. La información cualitativa se ha obtenido gracias a la inyección de una sal de sodio fluorescente que destaca la estructura del flujo mientras que la cuantitativa se ha obtenido mediante anemometría láser. La simulación numérica axilsimétrica del flujo del montaje experimental muestra dos tipos diferentes de transiciones estructurales caracterizadas por la existencia de una o dos burbujas de reirculación. La comparación de los resultados experimentales con los de la simulación numérica axilsimétrica ha dejado claro que el flujo con giro generado es tridimensional. De hecho, el análisis de estabilidad espacial vaticana que el flujo es inestable ante pertubaciones no axilsimétricas y que las autofunciones de los modos de inestabilidad que aparecen en el flujo se localizan en el eje del conducto y cercanos a la pared del mismo. Estas zonas se corresponden, precisamente, a aquéllas en las que se han encontrado las mayores discrepancias. Por consiguiente, gracias al análisis de estabilidad espacial, se ha justificado porqué el flujo teórico axilsimétrico no coincide con el flujo en el montaje experimental.