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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/2955| Comportamiento de esferas en fluidos estratificados On the behaviour of spheres in stratified fluids | |
| Carlos Rodolfo Torres Navarrete | |
| Jose Luis Ochoa De La Torre | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Capa frontera, Mecánica de fluidos, Generación de mallas numéricas | |
| El fenómeno de la formación y separación de la capa límite, con zonas de recirculación (o vórtices) asociados corriente abajo, es un tema clásico en mecánica de fluidos. Cuando el fluido está estratificado y se considera difusión, el grado de complejidad se incrementa por la inclusión de flotabilidad y el desarrollo de una capa límite difusiva. Por su relación con problemas geofísicos, la mayoría de los estudios relacionados a esta problemática han sido para flujo horizontal sobre obstáculos. En este trabajo se encuentra la solución numérica del movimiento causado por una esfera en movimiento vertical uniforme en el interior de un fluido con estratificación lineal. Los cálculos se llevan a cabo sobre una malla optimizada variacionalmente, con una concentración de puntos suficientes para resolver detalles de las diferentes capas límites. La validéz y limitación del esquema numérico se analiza con un problema simple del que se conoce su solución analítica. La concordancia entre los cálculos y la evidencia experimental para el problema de interés es altamente satisfactoria, reproduciéndose características de fluidos homogéneos como: ángulo de separación y estructuras α. En fluidos estratificados se reproducen adecuadamente patrones de ondas internas y, en particular, la desaparición del vórtice típico que se forma en la parte posterior de la esfera (en flujos con números de Reynolds moderado) a medida que se incrementa la estratificación. Este último fenómeno es la parte medular del trabajo. El punto de separación de la capa límite viscosa ocurre en forma similar al caso sin estratificación, es decir, cercano al punto donde el gradiente de la anomalía de presión cambia de signo. Para un número de Reynolds fijo, este punto se desplaza al polo posterior de la esfera a medida que la estratificación aumenta. Los resultados presentan, para ciertos casos, los campos de densidad y vorticidad, asi como líneas de corriente, distribución de presión y puntos de separación a lo largo de la superficie de la esfera. Con estos cálculos se logra conocer a detalle el comportamiento de la capa límite, fuerza de arrastre, distribución de presión y puntos de separación, aspectos muy difíciles de adquirir experimentalmente. Los resultados globales se presentan como función del número de Reynolds y otro que mide la intensidad de la estratificación. Vortex generation and boundary-layer separation on blunt bodies immersed in homogeneous fluids is a classical topic en Fluid Mechanics. When stratification effects are added the complexity increases because of buoyancy and diffusive boundary-layer effects. Because of its geophysical relevance most of the experimental, analytical and numerical works have focussed on horizontal flows past obstacles. In this work the Navier-Stokes equations describing a sphere moving vertically and uniformly within a linearly stratified fluid are solved numerically. In order to capture the details of the thin diffusive boundary-layer, the calculations are conducted on a variational grid with a high resolution near the sphere surface. To validate the numerical scheme a simple problem is solved and compared to its analytical solution. A good agreement between the stationary numerical solutions and observations is found. For homogeneous fluids typical separation angles, vortical patterns behind the sphere, drag and re-attachment zones are reproduced. For stratified fluids at moderate Reynolds number the internal wave pattern is nicely reproduced together with the vanishing of the vortex behind the sphere when stratification is strong enough. This last phenomenon is the focus of the present work. The density, pressure and vorticity fields are presented for a variety of cases which exemplify the vanishing of the vortex. The calculations allow us to obtain detailed knowledge of boundary-layer, drag, pressure distribution on the sphere surface and boundary-layer separation angles, aspects difficult to acquire experimentally. The separation point of the viscous boundary-layer occurs similarly to the homogeneous case, i. e. near the point where pressure gradient reverses sign. At a fixed Reynolds number this point is shifted to the rear of the sphere as the stratification is increased. Global results are shown on the Richardson vs Reynolds number space. | |
| CICESE | |
| 1997 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| Torres Navarrete, C. R. 1997.Comportamiento de esferas en fluidos estratificados. Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 103 pp. | |
| OCEANOGRAFÍA | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Oceanografía Física |
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