Analysis and Discussion of Two-Way Coupling Effects in Particle-Laden Turbulent Channel Flow

Análisis y discusión de los efectos del acople de dos vías en el flujo turbulento de un canal cargado con partículas

En este trabajo se estudia la modificación de la turbulencia causada por la presencia de partículas sólidas en el flujo de un canal completamente desarrollado mediante el enfoque de simulaciones numéricas directas (DNS) de partículas puntuales. Se consideran partículas inerciales mucho más pequeñas que las estructuras vorticales más pequeñas del flujo, manteniendo una fracción de volumen del orden de , donde las colisiones entre partículas son raras y casi no influyen en el desarrollo del flujo. Para evitar efectos concurrentes que pudieran enmascarar el análisis de la interacción de la turbulencia del fluido, no se incluye la gravedad en el estudio, y las colisiones partícula-pared lisa se modelizan como reflexiones ideales. Se ilustra y discute la alteración de la dinámica de la turbulencia del fluido por las partículas, proporcionando una visión general de los fenómenos de interacción fluido-partícula que se producen tanto a nivel microscópico como macroscópico del flujo. Por último, se demuestra la relación de tales fenómenos con los efectos de reducción de la resistencia aerodinámica por parte de las partículas.

INTRODUCCIÓN

Los flujos turbulentos cargados de gotas y partículas son habituales en la naturaleza y en los procesos industriales. Ejemplos de los primeros son las tormentas de arena, las nubes, la sedimentación de partículas en ríos y océanos, entre otros. La evaporación de gotas de líquido en secadores por pulverización y la separación de partículas en depuradores o ciclones son ejemplos de lo segundo. Estos flujos bifásicos turbulentos dispersos se investigan tanto desde enfoques experimentales como numéricos. En este estudio se emplea la perspectiva numérica.

There are three main numerical approaches to such systems (Kuerten, 2016). The most detailed technique is to fully resuelven el flujo alrededor de las partículas, cuyo movimiento se calcula a partir de las fuerzas externas y de las que se intercambian con el fluido portador. Este método necesita mallas muy finas para calcular el flujo alrededor de las partículas y suele limitarse al tratamiento de un número reducido de partículas. Este enfoque es el más adecuado para tratar partículas mayores que la escala de longitud de Kolmogorov. Si las partículas son suficientemente más pequeñas que dicha escala, se suelen emplear enfoques lagrangianos de masa puntual. En ellos, el movimiento de cada partícula se rige por su propia ecuación de momento, que se basa en la segunda ley de Newton. De este modo, pueden seguirse millones de partículas en el dominio computacional. Para tratar flujos densos con muchas partículas grandes, se emplean los enfoques continuos o eulerianos. En estos métodos, las partículas se describen mediante campos continuos de velocidad y concentración, cuya evolución se describe mediante un conjunto adecuado de ecuaciones diferenciales parciales, que hay que resolver además de las ecuaciones del fluido (Lain y Aliod, 2000).