Estudio experimental de flujos con rotación en conductos

Resumen

La presente tesis experimental estudia las inestabilidades que aparecen en un flujo a través de un conducto circular cuando se somete a rotación como sólido rígido. Está constituida por tres estudios completamente diferenciados. En el primero se caracteriza experimentalmente el inicio de las inestabilidades absolutas (transición entre estados convectivamente y absolutamente inestables), mediante la parada parcial o total del giro (spin-down) y, de esta manera, se visualiza el efecto de la propagación de ondas viajeras aguas arriba hasta la región de entrada del conducto. Dada la complejidad experimental existente parar obtener un método fiable que detecte esta transición en flujos confinados, esta nueva metodología experimental permite conocer la evolución espacio temporal para un estado dado, inicialmente absolutamente inestable y caracterizar mediante visualización directa esta transición. En segundo lugar, se han caracterizado las inestabilidades que aparecen en la entrada del conducto en la inexplorada región de altos valores de la velocidad angular dentro de la zona de inestabilidad absoluta. Este estudio viene motivado por la transición desde un flujo laminar inestable a otro prácticamente turbulento mediante la única acción del aumento del giro. Comoquiera que no puede visualizarse la transición, se realiza un análisis de frecuencias para comprobar la existencia de oscilaciones en la región de entrada del conducto y, de ese modo, caracterizar la transición a la inestabilidad en un nuevo estado denominado absolutamente inestable con dependencia temporal (time-dependent). En el tercero, se analizan las inestabilidades hidrodinámicas observadas mediante visualizaciones directas de un flujo con giro intenso que descarga en una expansión brusca, así como su posible relación con el fenómeno de la rotura de vórtice inestable. Las transiciones entre distintos estados ya fueron halladas y caracterizadas mediante simulaciones numéricas en la misma configuración geométrica. Los resultados experimentales incluyen con éxito todas estas transiciones numéricas y relacionan el inicio de las inestabilidades absolutas a la rotura transitoria de vórtice. Los resultados también muestran cuándo están presentes las inestabilidades tridimensionales en la expansión brusca en el plano Re-S. Estos datos experimentales concuerdan de manera excelente con las simulaciones numéricas. Conviene destacar que la información experimental nos ha permitido distinguir dos tipos de estructuras inestables pulsantes en el flujo de cortadura formado por el chorro con giro que descarga en la expansión brusca: una viajando aguas abajo de la expansión emitiendo vórtices y otra interactuando con la capa límite que se encuentra en la unión de los dos conductos. Además, se ha hallado un nuevo estado de transición denominado rotura de vórtice pulsante que se caracteriza por la formación y destrucción de la burbuja de recirculación a intervalos regulares de tiempo, estando esta transición íntimamente relacionada con la aparición de inestabilidades absolutas en el tubo.