Tesis:
The interaction of riblets with wall-bounded turbulence = La interacción de los microsurcos con la turbulencia de pared
- Autor: GARCIA MAYORAL, Ricardo
- Título: The interaction of riblets with wall-bounded turbulence = La interacción de los microsurcos con la turbulencia de pared
- Fecha: 2011
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AERONAUTICOS
- Departamentos: MOTOPROPULSION Y TERMOFLUIDODINAMICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66456/
- Director/a 1º: JIMENEZ SENDIN, Javier
- Resumen: El propósito de esta tesis es dar respuesta a la pregunta ¿Por qué dejan de ser eficaces los riblets a partir de un tamaño determinado?. Los riblets son surcos superficiales alineados en la dirección media del flujo turbulento sobre la superficie, especialmente diseñados para reducir el rozamiento entre el flujo y la superficie. Están inspirados en superficies biológicas, como los dentículos ordenados de la piel de los tiburones da gran velocidad, y fueron objeto de un gran número de investigaciones en los años ochenta y noventa. Aunque se comprobó que la reducción de la resistencia depende del tamaño de los riblets, escalado en unidades de pared, los mecanismos físicos implicados no se habían explicado completamente hasta ahora. Se comprendía cómo interactúan los riblets de tamaño infinitesimal con el flujo turbulento, produciendo un cambio en la resistencia proporcional a su tamaño, pero éste no es el régimen de interés práctico. El comportamiento óptimo se da para tamaños mayores, para los que el comportamiento lineal ya se ha perdido, pero antes de que los riblets empiecen a adoptar un carácter de rugosidad común y aumenten la resistencia, Este régimen, que es el más relevante desde el punto de vista tecnológico, ha sido justo el peor comprendido, y hemos centrado nuestro estudio en él. Nuestros esfuerzos han seguido tres direcciones básicas. En primer lugar, hemos analizado los datos experimentales disponibles, buscando identificar características comunes en el régimen óptimo de las distintas geometrías de riblets existentes. Este estudio nos ha llevado a proponer una nueva escala de longitud, la raíz cuadrada de la sección del surco, para sustituir a la tradicional longitud de espaciado entre riblets. Escalando las dimensiones de los riblets con esta magnitud, el tamaño para el que colapsa el comportamiento lineal se hace casi universal. Esto sugiere que el comienzo del colapso está relacionado con un valor del área concreto para la sección del surco. En segundo lugar, hemos realizado un conjunto de simulaciones numéricas directas sobre riblets de tamaños que cubren todo el rango de reducción de la resistencia. Así, hemos podido reproducir la transición gradual entre los distintos regímenes. El análisis espectral de los flujos ha sido particularmente fructífero, ya que ha hecho posible la identificación de rollos transversales justo encima de los riblets, que comienza a aparecer cuando el tamaño de los riblets se aproxima al óptimo. Ésta es una característica del flujo bastante sorprendente, no por la singularidad del fenómeno, que ya había sido observado anterior- mente para otros tipos de superficies complejas y porosas, sino porque la mayoría de los estudios previos se habían centrado en el detalle del flujo sobre cada riblet como unidad. La originalidad de nuestro tratamiento ha proporcionado las herramientas adecuadas para capturar estructuras coherentes con un soporte transversal extendido, que interactúan con los riblets no de forma individual, sino colectiva. También hemos comprobado que estas estructuras coherentes son responsables del incremento de resistencia. Finalmente, hemos analizado la estabilidad del flujo con un modelo simplificado, que vincula la apariencia de los rollos a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, como sucede también en el flujo sobre doseles vegetales y superficies porosas. A pesar de que el modelo refleja la presencia de riblets sólo de forma general y promediada, consigue capturar los atributos esenciales del colapso del régimen viscoso, y proporciona una justificación teórica para el escalado con la sección del surco.