Resumen
Proponemos llevar a cabo Simulaciones Numéricas Directas (DNS) de flujo turbulento en canales a números de Reynolds de fricción relativamente altos (hasta 2000), en presencia de un flujo de calor perpendicular al flujo principal. Tres fluidos serán estudiados, correspondientes a tres números diferentes de Prandtl. En concreto, se simulará aire, metales líquidos (mercurio) y un refrigerante de metal líquido, usado en la industria nuclear, con el propósito de estudiar el comportamiento de ambos flujos en las capas límite térmicas y, por primera vez, en la capa logarítmica de un flujo de pared. Además, se estudiarán dos configuraciones para el flujo turbulento, Couette (Gradiente de presión) y Poiseuille (Cizalladura). Para ello, se propone una jerarquía de actividades, empezando con simulaciones directas de flujos de referencia, a un número relativamente bajo de Reynolds, y postprocesando estos datos, con el objetivo de validar el
código y las técnicas a usar durante el proyecto. Se usarán las principales referencias experimentales y numéricas de la literatura especializada. Después de esto, se simulará como referencia el estado del arte actual, para superarlo en los últimos dos años del proyecto.
El proyecto tiene aspectos fundamentales y aplicados. En primer lugar, la simulación de turbulencia a altos números de Reynolds es un problema científico, en el que el objetivo es comprender los mecanismos de transferencia de energía y el momento angular entre los diferentes puntos del campo de flujo y entre las diferentes escalas. Durante los últimos años esto se ha hecho básicamente utilizando simulaciones numéricas directas. Está será también la herramienta fundamental para la investigación básica en la turbulencia en el medio plazo. Sin embargo, las configuraciones, donde también existe un flujo térmico no han tenido la misma atención. La principal contribución del proyecto es ser capaz de describir un flujo turbulento clásico pero con la adición de un flujo térmico.
Por otro lado queremos construir una base de datos que pueda ser usada para validar los métodos de simulación de grandes remolinos, (LES), que son los métodos, junto con RANS, utilizados por los ingenieros de CFD en este mismo momento. DNS no puede ser utilizado como una herramienta de diseño ahora, y probablemente no será utilizado como tal en los próximos 25 años. El número de Reynolds de una capa límite adherida de interés aeronáutico es de aproximadamente 5 a 10 veces mayor que lo que podemos hacer ahora, y cualquier separación multiplicaría los requisitos computacionales en un factor de 2-5. Por lo tanto, a la velocidad que aparecen nuevas simulaciones, sería necesario esperar otros veinte años para estudiar la física de estos flujos con un DNS. Las aplicaciones prácticas son aún más caras, porque el objetivo no es calcular el caudal mínimo para representar la física, sino una configuración completa, incluyendo
los efectos de compresibilidad. La única solución posible en este momento es el desarrollo de modelos LES. En la actualidad hay muchos modelos LES, pero ninguno de ellos está lo suficientemente caracterizado para ser utilizado para estudiar la convección forzada. Nuestro proyecto pretende crear una base de datos segura para la validación de LES a números de Reynolds altos en convección forzada. Pretendemos la creación de un estándar para los próximos 10 años.
