Turbulencia localizada y contracción corta: mezclar mejor en un canal

En 2011, en la University of Newcastle (Australia), presenté este trabajo en la 13.ª European Turbulence Conference (ETC13) en Varsovia, con Lyazid Djenidi (University of Newcastle) y Sedat Tardu (LEGI, Grenoble). El tema: cómo crear y mantener una turbulencia local en un canal para mezclar mejor, y lo que aporta una contracción corta.

Mi contribución: como primer autor, desarrollé el código LBM acoplado a su solucionador térmico, realicé las simulaciones y me encargué del posprocesamiento y el análisis de los datos.

Por qué es difícil

• En los sistemas pequeños, como en microfluídica, el flujo tiene un número de Reynolds bajo: se mantiene laminar y los fluidos se mezclan mal.
• Crear una zona localmente turbulenta es una de las formas más eficaces de mejorar la mezcla.
• La idea que estudié: un par de chorros pulsados colocado en el canal, seguido de una serie de contracciones cortas.
• Los chorros pulsados generan dos pares de vórtices longitudinales contrarrotatorios, en forma de horquilla. Su interacción produce una turbulencia localizada.
• La contracción acelera el flujo y estira los vórtices: intensifica la vorticidad y, por tanto, la turbulencia.

El método

• Velocidad: resolví el flujo con el método de Boltzmann en red (LBM, red de 19 velocidades). Describe la propagación y las colisiones de las funciones de distribución de las partículas entre nodos vecinos.
• Temperatura: ecuación de la energía (advección-difusión), resuelta por un solucionador térmico acoplado; escribí todo el código en Fortran 90.
• Parámetros: número de Reynolds Re_D = 1000, número de Prandtl Pr = 0.75.
• Dominio: canal de 150 H de largo, 2 H de alto (60 celdas) y 4 H de ancho. Perfil de Poiseuille a la entrada, condición convectiva a la salida, paredes sin deslizamiento a temperaturas impuestas (+1 abajo, −1 arriba), periodicidad en el ancho.

La interacción de los chorros homogeneiza la temperatura

• En t* = 25, la interacción de los dos chorros crea nuevas estructuras vorticales, sobre todo cerca de las paredes. Transportan el calor en la dirección normal a las paredes y tienden a homogeneizar el campo de temperatura.
• En t* = 30, la viscosidad se impone e impide que se formen nuevas estructuras. Para mantener la zona turbulenta, hay que estirar el flujo: ese es el papel de la contracción.

La contracción intensifica la turbulencia

• La energía aumenta más: la componente longitudinal E_x crece mientras E_y y E_z disminuyen. La energía se transfiere con más intensidad de las componentes laterales a la longitudinal.
• Las tres componentes de la vorticidad se vuelven claramente mayores que sin contracción.

• El flujo de calor en el sentido del flujo (uθ) cambia poco.
• El flujo normal a las paredes (vθ) se modifica claramente: la contracción actúa sobre todo en el transporte de calor hacia las paredes.

Para recordar

• Una contracción corta colocada después de chorros pulsados refuerza el mecanismo «natural» de la turbulencia localizada: más energía, más vorticidad y un transporte de calor hacia las paredes modificado.
• La veo como una opción sencilla, sin piezas móviles, para mejorar la mezcla en los flujos lentos.

Para saber más

N. Lefeuvre, L. Djenidi, S. Tardu, Momentum and scalar transport in a localised synthetic turbulence in a channel flow with a short contraction, Journal of Physics: Conference Series 318, 052047 (2011), PDF · DOI