Estudio de leyes de escala turbulentas y su vinculo con propiedades macroscópicas de flujos

Título

Estudio de leyes de escala turbulentas y su vinculo con propiedades macroscópicas de flujos

Colaborador

Artana, Guillermo Osvaldo
Mininni, Pablo D.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2016-03

Extensión

150 p.

Resumen

El fenómeno de la turbulencia tiene una fuerte presencia en flujos industriales. Sin embargo, el estudio numérico de flujos turbulentos en muchas condiciones de interés está fuera del alcance de la capacidad de cálculo de las supercomputadoras más grandes hasta el momento. La reducción del problema al caso bidimensional permitir obtener soluciones numéricas con parámetros realistas a un menor costo computacional. Cuando se sigue este camino la mayor dificultad reside en la validación experimental de los resultados, ya en que en muchos casos los flujos bidimensionales son de difícil materialización. En esta tesis realizamos un estudio experimental de las propiedades estadísticas de los flujos turbulentos bidimensionales, con especial énfasis en la caracterización de sus leyes de escala y en el desarrollo de fenómenos intermitentes en el flujo. La configuración experimental para flujos bidimensionales considerada consiste en un túnel de jabón donde la turbulencia se genera con un peine. En una primer etapa se plantea el estudio teórico para determinar las condiciones que permiten establecer la analogía entre un flujo en túnel de jabón y un flujo bidimensional incompresible. A continuación tratamos el estudio experimental del campo de velocidades que se realiza con las técnicas de velocimetría PIV y OPFLOW con imágenes obtenidas con las técnicas Schlieren e interferometria. Se estudian las propiedades estadísticas del flujo a partir de 4 diferentes técnicas espectrales: Fourier, Wavelets, Hilbert- Huang y POD Koopman. El estudio ilustra la capacidad de cada una de estas técnicas para recuperar las leyes previstas de manera teórica. El trabajo concluye acerca de la ausencia de intermitencia del flujo estudiado y brinda nuevos elementos de análisis para calificar las bondades de resultados obtenidos con diferentes técnicas numéricas.
Turbulence is ubiquitous in atmospheric and oceanic flows. However, the numerical study of threedimensional turbulent flows under realistic conditions and control parameters is out of reach even when using the largest supercomputers up to day. In geophysical flows, the presence of rotation and stratification reduces the dynamics to that of two dimensions, allowing numerical studies to approach the problem with more realistic parameters at a lower computational cost. On the other hand, when this approach is followed the problem resides on experimental validation, since two dimensional flows are hard to obtain in the laboratory. In this proposal we present a pronged study, with experiments to analyze statistical properties of flows in two- and three-dimensions, with a special focus in the characterization of scaling laws and in the development of impulsive events in the flow. The experimental setup to study two-dimensional flows is a soap film “tunnel”, where turbulence will be generated using a comb, while for the three-dimensional case we will use wind tunnels where turbulence is generated by a grid. The velocity field will be measured in the former case using Schlieren velocimetry, while in the latter the PIV and OPFLOW technique will be used. Different spectrals methods will be used to analyze each case. We will study the flow properties in scales larger and smaller than the energy injection scale. As a result of this proposal, we expect to be able to link large scale properties of the flow with spectral properties of turbulence, as well as improve models of hydrodynamic turbulence. Fourier, Wavelet, Hilbert Huang and POD Koopman: statistics flow properties from 4 different spectral techniques are studied. The study illustrates the ability of each of these techniques to recover laws theoretically expected. The thesis concludes about the absence of intermittent flow studied and provides new elements of analysis to describe the benefits of results obtained with different numerical techniques.