Resumen de Direct numerical simulation of reactive and non-reactive mixing layers
Antonio Eduardo Almagro Fernández
La presente tesis trata de simulaciones numéricas directas de capas de mezcla turbulenta de evolución temporal, considerando densidad variable y en régimen de baja velocidad, tanto del caso reactivo como inerte. Las ecuaciones de Navier-Stokes en la formulación de low- Mach se resuelven utilizando un nuevo algoritmo basado en un versión extendida de la formulación de velocidad-vorticidad utilizada para flujos incompresibles. Los detalles de la formulación, los algoritmos desarrollados y su implementación se incluyen en este trabajo.
En primer lugar, se realizan y analizan las simulaciones numéricas directas (DNS) del caso inerte. Se consideran para este estudio cuatro casos con relaciones de densidad de 𝑠 = 1, 2, 4 y 8, y un número de Prandtl de 0.7, alcanzando un valor de 𝑅𝑒𝜆 = 150 durante la evolución auto-semejante de la capa de mezcla. Se ha observado que la tasa de crecimiento de la capa de mezcla disminuye cuando se aumenta la relación de densidades, en sintonía con las predicciones de los modelos teóricos de este fenómeno. La comparación con resultados de capas de mezcla de alta velocidad muestra que la reducción de la tasa de crecimiento con el aumento de la relación de densidades tiene una débil dependencia con el número de Mach.
Además, el deslizamiento de la capa de mezcla hacia la corriente de baja densidad ha sido caracterizado analizando estadísticas durante el periodo de auto-semejanza. Este deslizamiento ha sido calculado y relacionado con la tasa de crecimiento de la capa de mezcla. En base a esto se ha obtenido un modelo predictivo para la reducción de la tasa de crecimiento del espesor de momento que concuerdo muy bien con los datos disponibles. Finalmente, el efecto de la relación de densidades en las estructuras turbulentas ha sido analizado mediante visualizaciones de flujo y análisis de espectros. Se ha visto que al aumentar la relación de densidades, las escalas más grandes del lado de alta densidad se van inhibiendo gradualmente.
Una reducción gradual de la energía en las escalas pequeñas también se observa al aumentar la relación de densidades.
En segundo lugar, los efectos del número de Lewis del fuel (𝐿𝐹 ) y la dilución han sido investigados para diferentes problemas de combustión. Para caracterizar la influencia de estos parámetros en la temperatura de llama y centrarnos en los efectos de transporte, consideramos una única reacción infinítamente rápida e irreversible, con las funciones de Schlab-Zeldovich introducidas para reducir las ecuaciones de conservación de la energía y los reactivos a una forma sin química. Los problemas analizados son: • Llamas de difusión Counterflow y Coflow: se encuentran temperaturas superadiabáticas (subadiabáticas) para 𝐿𝐹 < 1 (𝐿𝐹 > 1), pero estas temperaturas no están limitadas por la temperatura máxima de sistemas de reacción-diffusión.
• Llamas de difusión en un vórtice: se investiga una llama de difusión plana, que evoluciona con el tiempo distorsionada por un campo de velocidades alrededor de un vórtice.
Los resultados en el límite de Peclet >> 1 se comparan con los resultados de las ecuaciones completas, mostrando un buen acuerdo. Se muestra que para diluciones 𝑆 < 1 existen regiones de la llama con temperaturas subadiabáticas (superadiabáticas) para 𝐿𝐹 < 1 (𝐿𝐹 > 1).
• Llamas de difusión en capas de mezcla turbulenta: varios casos se simular usando DNS. Se encuentra un buen acuerdo con la caracterización de temperatura de llama obtenida para los casos laminar previamente estudiados. En particular, para 𝑆 < 1 se encuentra un comportamiento atípico similar al descrito en el problema del vórtice.
Los resultados presentados en esta tesis muestran que la consideración de los efectos de difusión preferencial (a través de 𝐿𝐹 ≠ 1), alteran significativamente la distribución de temperatura en la llama, con valores de temperatura que oscilan alrededor de los obtenidos en los casos laminares e influenciados por el valor de la dilución 𝑆.
