Experimental and numerical analyses of starting jets with different jet-to-ambient density ratios

Resumen

Esta tesis consiste en la caracterización experimental y numérica de la dinámica de chorros transitorios con distinta densidad del ambiente en donde descargan. Existen en la literatura estudios sobre el desarrollo inicial de chorros de igual densidad que el ambiente. En concreto se ha estudiado el efecto de la aceleración inicial con la que sale el fluido, el perfil de la velocidad a la salida y el efecto de la viscosidad. El estudio que abarca esta tesis intenta explicar los fenómenos que ocurren en chorros de distinta densidad del ambiente. Sin embargo no existen prácticamente estudios del efecto de la gravedad y la relación de densidades en chorros transitorios. En este trabajo se han realizado experimentos inyectando verticalmente hacia abajo chorros de disoluciones alcohol agua a distintas concentraciones en una atmósfera de agua. Una descripción detallada de los experimentos se encuentra en el capítulo 2. La caracterización experimental de la dinámica de los chorros realizada en la tesis incluye, por un lado, la descripción de los chorros con la misma densidad del ambiente mediante medidas de PIV y visualizaciones (Capítulo 3) y por otro la relativa a los chorros de distinta densidad (Capítulo 4). Con el fin de obtener un mayor control sobre los efectos que las condiciones de contorno pueden tener sobre los chorros, se efectuaron simulaciones numéricas con el código comercial Fluent (Capítulo 5). Nuestros experimentos y simulaciones se han centrado en investigar el efecto del número de Froude en el desarrollo inicial del chorro as como en la formación del vórtice de cabeza. Se ha observado una transición entre dos regímenes caracterizados por el comportamiento del vórtice de cabeza. Para valores del número de Froude superiores a uno crítico, se observa que el vórtice tiene suficiente velocidad autoinducida como para avanzar en contra de la flotabilidad, y para valores inferiores el vórtice es incapaz de vencer a dichas fuerzas y es empujado contra la pared donde el flujo en la dirección radial se encarga de abrirlo y disiparlo