Simulación cinemática de flujo turbulento.Aplicación al estudio de la estructura de la turbulencia y de la difusión turbulenta.

Abstract

En este trabajo abordan diversos problemas relacionados con los flujos de fluido en régimen turbulento. El principal problema tratado es el de la dispersión de partículas en tiempos intermedios. Se analizan también las funciones de estructura a pequeña escala.<br/><br/>En la primera parte, además de las ecuaciones de fundamentales de la Dinámica de Fluidos y de algunas herramientas estadísticas básicas, se tratan los temas de turbulencia bidimensional, espectro de energía, correlaciones de velocidad, escalas de la turbulencia, intermitencia, métodos numéricos y dipersión de partículas en flujo turbulento.<br/><br/>En la segunda parte de la Tesis se analizan dos métodos numéricos de base muy diferente. El primero es una Simulación Numérica Directa (DNS), con la que se resuelve, de forma explícita, todas las escalas de un flujo turbulento a partir de las ecuaciones de la dinámica. Esto limita fuertemente el número de Reynolds de la simulación. El segundo método es conocido como Simulación Cinemática (KS), donde la única ecuación de la dinámica que se considera es la condición de continuidad.<br/><br/>En la KS el flujo turbulento es simulado como la superposición de una serie de modos de Fourier. A cada modo le correponde una escala, determinada por un vecor número de onda, y una energía, dada por el coeficiente del modo. Estos coeficientes son calculados a partir del espectro de energía del campo que se pretende simular. <br/><br/>Las características más importantes del campo simulado mediante la KS son:<br/>"No hay malla de discretización ni extrapolación a pequeñas escalas de espacio y tiempo. El campo es calculado en cualquier instante y cualquier posición. Esto lo hace especialmente atractivo para análisis Lagrangiano.<br/>"Es posible elegir diferentes parámetros del flujo: espectro de energía, escalas, energía total, número de Reynolds.<br/><br/>En la última parte de la Tesis se muestran los resultados de dos análisis diferentes realizados con la KS.<br/><br/>En primer lugar se realiza una comparación exhaustiva de un flujo bidimensional generado mediante KS con otro, con idéntico espectro de energía, simulado con una DNS. Sobre ambos se realiza un análisis comparativo tanto Euleriano como Lagrangiano. El análisis Euleriano muestra bastantes diferencias entre ambos flujos. Las funciones de estructura, sin embargo, con muy semejantes a pequeña escala. El análisis Lagrangiano ofrece resultados sorprendentes en cuanto a semejanza entre un flujo y otro. El valor de la escala integral Lagrangiana de tiempo permite ajustar la evolución temporal de la KS. La dispersión absoluta es afectada por las estructuras coherentes debidas a la dinámica presente en el flujo simulado mediante la DNS, y ausentes en la KS. Estas estructuras coherentes dinámicas no parecen afectar a la evolución temporal de la dispersión relativa.<br/><br/>En segundo lugar se realizan dos series de experimentos con la KS, analizando diferentes aspectos de la variación de la ley espectral del flujo turbulento. En la primera serie de experimentos se varia la ley espectral manteniendo uniforme la energia total del campo. Se analizan, por un lado, la estructura de la turbulencia para diferente ley espectral de potencia, y se propone una expresión para la función de estructura de orden p en función de la escala y de la ley espectral, para escalas menores que la microescala de Taylor. Por otro lado, se analiza también el efecto sobre la dispersión relativa.<br/><br/>En la segunda serie de experimentos se varia la ley espectral manteniendo uniformes las escalas características del campo, de forma que se obtienen fuertes variaciones de energía. Se analiza el efecto sobre la dipersión relativa, observándose que se cumple la ley de Richardson generalizada, independientemente de la energia del campo, para espectros con potencia menor que 2.

In this work we study different problems related to the flow of fluids in turbulent motion. The main problem on which we focus is the particle dispersion for middle times. Structure functions on a small scale are analised as well.<br/><br/>In the first part, besides the fundamental dynamic equations and some basic statistical tools, the following points are discussed: bidimensional turbulence, energy spectrum, velocity correlations, scales of turbulence, intermitence, numerical methods and particle dispersion in turbulent flow.<br/><br/>In the second part, two numerical methods with very different bases are analised. The first one is a Direct Numerical Simulation (DNS), where all the scales of the flow are explicitly resolved from the dynamic equations. The second model is known as Kinematic Simulation (KS), where the only dynamic equation involved is the continuity condition.<br/><br/>With the KS the turbulent flow is simulated as a superposition of a Fourier modes series. Every mode is related to a scale which is brougth about by a wavenumber vector, and an energy which is given by the mode coefficient. These coefficients are calculated from the energy spectrum of the simulated field.<br/><br/>The most important characteristics of the KS simulated field are:<br/>"There is no discretitation grid nor small time and space scales interpolation. The field can be calculated in any time and any position. This makes this model specially attractive for Lagrangian analysis.<br/>"It is possible to choose between different parameters: energy spectrum, scales, total energy, Reynolds number.<br/><br/>In the last part of the thesis, the results of two different analysis carried out with KS are shown.<br/><br/>In first place, an exhaustive comparison of a bidimensional flow generated by KS and another with an identical energy spectrum generated by DNS, is performed. With both a comparative analysis Eulerian and Lagrangian is carried out. The Eulerian analysis shows various differences between both flows. However, the structure functions are very similar on small scales. The Lagrangian analysis gives surprising results with regard to the similarity between both flows. The value of the Lagrangian integral time scale allows the KS temporary evolution to be adjusted. The absolute dispersion is affected by the coherent structures due to the dynamic present in the DNS simulated flow, which are absent in the KS. These dynamic coherent structures don't seem to affect the temporary evolution of the relative dispersion.<br/><br/>In second place, two experimental series with KS are carried out, analysing different aspects of the variation of the spectral law of turbulent flow. In the first experimental series, the spectral law is modified keeping the total energy of the field uniform. On one hand, the structure of the turbulence for different spectral laws are analysed and an expression for the p-order structure function for scales smaller than the Taylor microscale, is proposed. On the other hand, the effect on the relative dispersion is analysed.<br/><br/>In the second experimental series, the spectral law is modified keeping the field characteristic scales uniform, obtaining strong energy variations. The effect on the relative dispersion is analysed, observing that the generalized Richardson law is fulfilled, independently of the field energy, and for spectra with