Estudio numérico-experimental tridimensional del flujo laminar en un conducto rectangular con cambio de sección

Abstract

En esta investigación se analiza numérica y experimentalmente la separación y recirculación del flujo de aire en un conducto rectangular con contracción súbita asimétrica a la salida del conducto, conocido normalmente como conducto rectangular con escalón (Forward facing step). En el estudio numérico se analiza la influencia de la relación de aspecto y la velocidad en el comportamiento del flujo de aire en un conducto rectangular con escalón. Para evaluar la influencia de la relación de aspecto en el comportamiento del flujo se estudian tres diferentes alturas de escalón (10, 20 y 30mm) y para observar la influencia de la velocidad se analizan tres regímenes de flujo laminar (Re=300, 400 y 500). El análisis numérico se realiza con el programa FLUSS desarrollado en esta investigación utilizando el lenguaje de programación FORTRAN 90 basado en la técnica de los volúmenes finitos para la discretizacion de las ecuaciones de continuidad y momento dentro del dominio computacional. Además, se utiliza el algoritmo SIMPLE para ligar los campos de velocidad y distribución de presiones dentro del dominio. En el estudio experimental se analiza el flujo de aire en régimen laminar (400) con relación de aspecto de 4 y relación de contracción igual a 2, utilizando la técnica de PIV (velocimetria de imágenes por partículas) y la técnica de visualización de flujo con humo. La validación del código numérico FLUSS se obtiene comparando el resultado numérico y experimental del punto de separación, definido en esta investigación por la letra (a), y coordenadas del centro del vórtice en el plano central del conducto [x’,y’]. La diferencia entre los resultados es menor al 4%, lo que permite considerar que el programa reproduce los resultados de manera satisfactoria. También se compararon los resultados obtenidos con el programa FLUSS con el software utilizado comercial FLUENT 6.3.6, y la diferencia máxima entre estos no fue mayor al 5%. Los resultados experimentales mostraron que el vórtice cambia su forma cuasi-circular en el centro del conducto a una forma mas alargada a una distancia de 0.001m de las paredes. Numéricamente se encontró que a una distancia de 0.0005m de las paredes la zona de recirculación tiende a desaparecer. Por otro lado se encontró que la altura del vórtice (a) no esta en función del número de Reynolds pero si de la RA en el centro del conducto. También se observa que la longitud de la zona de recirculación (r) aumenta su valor a medida que se incrementa la velocidad de flujo, o si se reduce la altura del escalón, es decir, (r) es directamente proporcional al Reynolds y RA. Finalmente, se observa que el flujo que entra en la zona de recirculación es transportado hacia las paredes laterales para poder continuar su trayectoria en forma de un vórtice helicoidal, tal como lo describen otros autores.