Resumen de Advanced piv in flows of industrial interest: errors characterization
En este doctorado se analiza la capacidad de la técnica de Mono-PIV para medir flujos turbulentos. La turbulencia se da en muchos flujos de interés y además es un factor de gran importancia para muchos fenómenos relevantes. Algunos ejemplos son la resistencia de los aviones y el ruido que producen, la estabilización de llamas de combustión, etc. Por ello, siempre ha atraído el interés de la comunidad científica. Sin embargo, la problemática de los flujos turbulentos aún no está resuelta. Entre las distintas posibilidades para estudiar estos flujos, la técnica de PIV es en la que este doctorado está enfocado. La técnica de PIV siempre ha sido considerada de gran utilidad para estudiar flujos turbulentos, por su capacidad de proporcionar instantáneas de la distribución espacial del flujo. Esta distribución espacial permite discriminar información con las escalas espaciales del flujo, lo cual es de gran utilidad ya que ciertas cantidades físicas están asociadas con las escalas grandes (la energía cinética turbulenta) y otras con las escalas pequeñas (como por ejemplo la disipación de energía cinética).
Para estudiar flujos turbulentos con la técnica de PIV, es de importancia conocer el intervalo de confianza de las medidas de PIV. Sin embargo, dada la complejidad de los flujos turbulentos y de la propia técnica de PIV, el intervalo de confianza aún no ha sido determinado. Entre otras cuestiones, el efecto de las distintas fuentes de error en la información de las escalas de longitud que se puede obtener con PIV requiere de trabajo adicional.
En este marco de trabajo, esta tesis doctoral está focalizada en caracterizar los errores producidos por la interacción de los gradientes espaciales de turbulencia con el espesor de plano láser. Adicionalmente, como el espesor de plano láser también influye en los errores producidos por movimientos de partículas en perpendicular al plano, y en esta fuente de error el tiempo entre los pulsos láser (Dt) también entra en juego, la interacción entre ambos parámetros también ha sido investigada.
Para poder estudiar la influencia de los errores en la información de las escalas de longitud que se puede obtener con PIV, las distintas funciones usadas en investigación de turbulencia con este fin han sido analizadas. La función longitudinal de estructura de segundo orden ha sido identificada como la herramienta más conveniente.
En cuanto a la caracterización del error, esta tesis recurre a las siguientes herramientas. En primer lugar, se ha llevado a cabo una investigación bibliográfica para enumerar, clasificar y modelar teóricamente las fuentes de error que pueden aparecer en medidas de PIV de flujos turbulentos, con énfasis especial en su magnitud relativa y su comportamiento con las escalas de longitud. Así, el efecto de filtrado pasa-bajos y la separación de los picos de correlación se han identificado como las fuentes de error más relevantes relacionadas con los gradientes espaciales. Para estudiar su efecto de manera aislada, una nueva herramienta de análisis (llamada “Simulador de PIV”) ha sido implementada. Adicionalmente, un generador de imágenes sintéticas ha sido empleado para crear imágenes basadas en un flujo de turbulencia homogénea e isótropa, obtenido de una simulación DNS. Estas imágenes incluyen otras fuentes de error que no se dan en el PIV Simulator. En último lugar, una campaña de medidas específicamente desarrollada para verificar la coherencia con los resultados numéricos ha sido completada también. El conjunto de estas herramientas permite revelar los errores que se pueden esperar en medidas de PIV de este tipo de flujos, así como mostrar la importancia relativa de los errores objetivo de la tesis comparados con otras fuentes.
Los resultados obtenidos en este trabajo incluyen el error total promedio así como la distribución con las escalas de longitud de los errores. En ambos casos, se incluyen variaciones del valor del error con el tiempo entre los pulsos láser y con el espesor de plano láser. Esto permite aclarar el error inducido por la interacción de ambos parámetros. La interacción entre los errores producidos por importantes diferencias de desplazamiento dentro del volumen de interrogación (para Dt alto) y los errores debidos a la información discreta de las imágenes (Dt bajo) también está caracterizada en este trabajo.
Los resultados de este trabajo permiten identificar la escala turbulenta más pequeña que tiene el error bajo un cierto nivel, debido a la influencia del espesor de plano láser. Los resultados de este trabajo permiten obtener directrices para realizar medidas de PIV optimizadas, en las que los errores se mantienen a un nivel mínimo. En la misma línea, este trabajo también incluye mapas de error tanto del error total de la velocidad instantánea como del error de la energía cinética turbulenta, en función de Dt y del ancho de plano láser.
