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Flujo turbulento con polímeros añadidos

La forma en la que los fluidos entran en estado turbulento es impactante y tiene implicaciones biológicas, ambientales y tecnológicas importantes. Poder predecir esta situación y controlarla es importante.
Flujo turbulento con polímeros añadidos
Las técnicas más avanzadas de investigación sobre transiciones se han centrado en las rutas de formación de turbulencias en fluidos newtonianos o simples. Este trabajo ha excluido a los fluidos complejos y no newtonianos, que son fundamentales en procesos de los sectores farmacéutico, del petróleo y el gas y la fabricación de plásticos y papel. Al añadir moléculas poliméricas largas a un fluido, este se vuelve elástico y capaz de almacenar tensiones que dependen del historial de deformaciones, lo cual proporciona memoria al fluido.

El proyecto NNJETS (Stability of non-Newtonian jets and implications for the onset of turbulence) utilizó simulaciones numéricas directas para estudiar la inestabilidad secundaria de los filamentos y la transición a las turbulencias en un flujo de Couette viscoelástico. La viscoelasticidad se modelizó utilizando las ecuaciones constitutivas FENE-P y se modificaron tanto la concentración de polímero como el número de Weisenberg a fin de evaluar su efecto sobre las transiciones con un número de Reynolds moderados, Re=400.

Se obtuvieron filamentos de base a partir de simulaciones no lineales del flujo de Couette como respuesta a un vórtice orientado según el flujo. El crecimiento de filamentos en flujos newtonianos y no newtonianos se debe principalmente a la vorticidad longitudinal. Sin embargo, el par ejercido por los polímeros en la dirección longitudinal se opone a la vorticidad, lo cual reduce el crecimiento de los filamentos con números de Weissenberg grandes.

En cada amplitud de filamento de interés, se introdujeron armónicos forzados para desencadenar la inestabilidad secundaria y la aparición de turbulencias. Cuando el número de Weissenberg es bajo, la amplitud crítica de este forzado disminuye, mientras que cuando el número de Weissenberg es alto, la amplitud crítica aumenta. Cuando las amplitudes de filamento son pequeñas, la amplitud crítica aumenta de forma mucho más importante que cuando son grandes.

Este comportamiento se explica por la existencia de dos mecanismos distintos que desencadenan la transición hacia el régimen turbulento, que están activas con amplitudes pequeñas y grandes. Si la amplitud es pequeña, la transición se desencadena mediante un mecanismo en dos etapas. Los filamentos están distorsionados inicialmente por la perturbación sinuosa pero, al cabo de un periodo breve de tiempo, alcanzan una energía máxima y regresan a un estado casi estable. Finalmente alcanzan una amplitud mayor y se convierten en turbulencias. La vorticidad normal desempeña un papel fundamental en este segundo crecimiento y en la disgregación final.

Cuando el número de Weissenberg es grande, el torque del polímero a lo largo de la dirección normal se opone a la vorticidad, lo cual obstaculiza la transición. Al aumentar la concentración de polímero, se observó una disminución clara de la amplitud crítica del forzado para cada amplitud de filamento estudiada.

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Palabras clave

Flujo turbulento, fluido no newtoniano, NNJETS, turbulencia, flujo de Couette, amplitud de vetas
Número de registro: 188689 / Última actualización el: 2016-10-18
Dominio: Tecnologías industriales
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