Experimental and Numerical investigation of flow in a lid-driven cylindrical cavity
- Autores: Joshua David Selvaraj
- Directores de la Tesis: Antonio Vernet Peña (dir. tes.), Jordi Pallarès Curto (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 130
- Tribunal Calificador de la Tesis: Roberto Castilla López (presid.), Alexandre Fabregat Tomàs (secret.), Paolo Juan Sassi Arobba (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencia, Materiales e Ingeniería Química por la Universidad Rovira i Virgili
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
- español
En este trabajo se investiga el flujo en una cavidad cilíndrica con una tapa giratoria utilizando herramientas experimentales y computacionales. La velocidad de rotación de la tapa se mantiene constante con el tiempo o se varía periódicamente con una amplitud de -20% a 20% de la velocidad angular media. El número de Reynolds, definido con el radio y la velocidad lineal máxima de la tapa se varía de 2800 a 4100. La relación altura/radio del cilindro es H/R=2. Se utiliza la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) para medir el campo de velocidad. Los resultados se analizan con simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional utilizando DNS para Re =2800. La rotación sinusoidal o periódica de la tapa da lugar a un aumento de las fluctuaciones de velocidad que intensifica las fluctuaciones del flujo hasta un 30% en comparación con una velocidad de rotación constante. También se analiza el comportamiento del flujo y la mezcla en la cavidad cilíndrica con una tapa giratoria de rotación constante y velocidad angular sinusoidal con un número de Reynolds Re = 2800. La cavidad cilíndrica se diseña con dos agujeros en la pared inferior circular, uno en el centro y otro a una distancia R/2 del eje de la cavidad. La mezcla de las inyecciones de flujo a través de estos agujeros se mide experimentalmente utilizando PLIF. Se han medido las estructuras de flujo obtenidas a varias rotaciones periódicas y se ha comprobado que la rotación sinusoidal de la tapa mezcla los fluidos rápidamente.
- català
En aquest treball, s'investiga el flux en una cavitat cilíndrica amb una tapa giratòria utilitzant eines experimentals i computacionals. La velocitat de rotació de la tapa es manté constant amb el temps o es varia periòdicament amb una amplitud de -20% a 20% de la velocitat angular mitjana. El nombre de Reynolds, definit amb el radi i la velocitat lineal màxima de la tapa es varia de 2800 a 4100. La relació altura/ràdio del cilindre és H/R=2. Es fa servir la velocimetria d'imatges de partícules (PIV) per mesurar el camp de velocitat. Els resultats s'analitzen amb simulacions de Dinàmica de Fluids Computacional utilitzant DNS per a Re =2800. La rotació sinusoïdal o periòdica de la tapa dóna lloc a un augment de les fluctuacions de velocitat que intensifiquen les fluctuacions del flux fins a un 30% en comparació amb una velocitat de rotació constant. També s'analitza el comportament del flux i la barreja a la cavitat cilíndrica amb una tapa giratòria de rotació constant i velocitat angular sinusoïdal amb un nombre de Reynolds Re = 2800. La cavitat cilíndrica es dissenya amb dos forats a la paret inferior circular, un a el centre i un altre a una distància R/2 de leix de la cavitat. La barreja de les injeccions de flux mitjançant aquests forats es mesura experimentalment utilitzant PLIF. S'han mesurat les estructures de flux obtingudes a diverses rotacions periòdiques i s'ha comprovat que la rotació sinusoïdal de la tapa barreja els fluids ràpidament.
- English
The flow in a cylindrical cavity with a rotating lid is investigated using experimental and computational tools. The rotational speed of the lid is either kept constant with time or varied periodically with an amplitude of -20% to 20% from the mean angular velocity. The Reynolds number, defined with the radius and the maximum linear velocity of the lid is varied from 2800 to 4100. The height to radius ratio of the cylinder is H/R=2. Particle Image velocimetry (PIV) is used to measure the velocity field. The results are analysed with Computational Fluid Dynamics simulations using DNS for Re =2800. The sinusoidal or periodic rotation of the lid results in increased velocity fluctuations intensifying the flow fluctuations up to 30% compared to a constant rotational speed.
The flow and mixing behaviour in the cylindrical cavity with a rotating lid having constant rotation and sinusoidal angular velocity at Reynolds number Re = 2800 is also analyzed. The cylindrical cavity is designed with two holes at the circular bottom wall, one at the centre and the other at a distance R/2 from the cavity axis. The mixing of flow injections through these holes is experimentally measured using PLIF. The flow structures obtained at several periodic rotations were measured and it has been found that the sinusoidal rotation of the lid mixes the fluids rapidly.
Due to the straightforward design having no stirrer or agitator, confined flow in the cavity has a great interest in basic research and diverse technological applications and industrial purposes such as segregation, separation, and mixing. It has been extensively used for understanding the transitions and instability in the rotating flow, both experimentally and numerically. This study can fill the scientific gap in the cylindrical cavity flow with rotating lids and provides a new opening for many scientific investigations.
This study has shown that the fast and slow rotation of the disk produces a pulsatile behaviour in the vertical velocity component, with flow descending near the lateral wall and the ascending flow along the axis of the cavity. This time evolution shows two different dynamics. The positive and negative fluctuations extend along with the cavity’s height at low frequencies. In contrast, at larger frequencies, the fluctuations appear alternatively distributed along with the cavity height because of the relatively short time between the fast and slow rotation of the velocity of the disk. There is a general agreement between the experimental and numerical results.
The sinusoidal variation of the rotation rate of the lid generates fluctuations of the vertical velocity component with large intensities, of about 100%, than those imposed in the rotating disk (20%). The intensities for the angular velocity component fluctuations are in the same order as the instantaneous values. The sinusoidal rotation produces a homogeneous mixing with a shorter time with a higher mixing rate. This study proves that the fluctuations in the flow are enhanced as the lid rotates with a sinusoidal variation. Moreover, it is found that the flow can be controlled and can have a better mixing.
- español
