Direct simulation of secondary flow turbulence in curved pipelines

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.Fil: Martorana, Julia Victoria. Universidad Nacional de Río Negro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Berardini, Lucas. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Cantero, Mariano Ignacio. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentin

Caracterización de flujos secundarios turbulentos en ductos curvos.

Los flujos secundarios son aquellos que aparecen en planos transversales a la dirección principal del flujo, usualmente en fenómenos que involucran canales abiertos o conductos. Estos flujos tienen una magnitud relativa menor al flujo principal, y modifican la configuración del mismo. Es posible diferenciar flujos secundarios de dos naturalezas distintas. Los flujos secundarios de primer tipo se dan por la curvatura de los vectores vorticidad media, en el flujo en ductos curvos, y pueden aparecen tanto en régimen laminar como en régimen turbulento. Por el contrario, los flujos secundarios de segundo tipo aparecen únicamente en presencia de turbulencia, en flujos internos como los que involucran ductos de sección cuadrada. Existen numerosas aplicaciones tecnológicas y fenómenos naturales en los que la presencia de flujos secundarios tiene implicancias importantes. Se puede nombrar, por ejemplo, la modificación del lecho en los meandros de los ríos, o bien el uso de generadores de vapor helicoidales en la industria nuclear. Se busca en este trabajo realizar simulaciones directas de turbulencia en un ducto curvo de sección transversal cuadrada, para estudiar la interacción de los flujos secundarios de primer y segundo tipo. En este caso el flujo es forzado por un gradiente de presión que resulta homogéneo sobre la sección transversal. El código de calculo utilizado se desarrollo a partir de la adaptación de un código ya existente, validado y utilizado para realizar simulaciones en un ducto recto de sección cuadrada. Se identificaron e implementaron los cambios necesarios para representar el problema en coordenadas cilíndricas. Se utilizo un código de calculo pseudo-espectral que utiliza expansiones de Fourier en la dirección principal, y expansiones de Chebyshev en las direcciones restantes. Se estudia la in fluencia del radio medio de curvatura sobre el flujo medio y el flujo secundario, y se realiza un estudio de las modificaciones que el flujo secundario introduce en el patrón de flujo medio. Se estudian también las distribuciones de corte en las paredes del ducto, las intensidades turbulentas, la distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, y el balance de energía cinética turbulenta. Se analiza también el flujo en ductos de bajo radio y se observa la aparición de flujos secundarios producidos por inestabilidades centrífugas. En este contexto se hace un análisis del balance de momento lineal con el objetivo de entender el origen de estos flujos secundarios. Finalmente se muestran una serie de resultados globales del flujo para distintos radios de curvatura, con el objetivo de caracterizar propiedades de interés en ingeniería, tales como el factor de fricción y el mezclado turbulento