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Experimental and numerical investigation of the flow in a toroidal cavity

by Al-Shannag, Mohammad Yousuf

Abstract (Summary)
RESUMEN En el presente trabajo, se ha estudiado experimentalmente y numéricamente el flujo incompresible en una cavidad toroidal con una sección transversal cuadrada (DxD) y un radio de curvatura Rc. Este flujo se ha realizado en dos cavidades donde el movimiento de agua liquida se induce por un caudal externo del mismo fluido entre el borde superior de la cavidad y su tapa. La primera cavidad toroidal se ha diseñado y construido para una relación de curvatura (??= D/Rc) alrededor de 0.51 (D = 100.0 mm y Rc = 195.0 mm). Además, el toroide previamente diseñado por Cushner (2001), para ??= 0.25 (D = 50.0 mm y Rc = 200.0 mm), se ha usado para construir la segunda cavidad. La técnicas PIV (Particle Image Velocimetry) y del fluido reoscópico se han usado para visualizar el flujo en ciertos planos verticales y horizontales. Los resultados numéricos se han obtenido mediante la integración de las ecuaciones completas de conservación de masa y cantidad de movimiento utilizando un código que cumplimenta un algoritmo de curto orden. Además de la configuración real del flujo, se ha considerado en los cálculos el flujo en la cavidad toroidal inducido idealmente por el deslizamiento radial de la pared superior. Las visualizaciones experimentales del flujo han capturado las estructuras periódicas tridimensionales para un numero de Reynolds alrededor de Re = 1000. Los cálculos 2 tridimensionales de los flujos ideales y reales han dado lugar a unas soluciones estacionarias de flujos bidimensionales para los números de Reynolds pequeños. A números de Reynolds más altos, el flujo bidimensional es inestable a diferentes modos de tipo centrífugo, dependiendo de la curvatura del toroide. Los modos estacionarios de longitud de onda corta son responsables en la generación del flujo tridimensional en una cavidad ligeramente curvada (??= 0.125) inducido por el movimiento radial hacia afuera de la pared superior. Cuando el movimiento es inducido por el deslizamiento de la pared hacia dentro, se obtienen los mismos modos estacionarios para (????1.0). Los modos dominantes devienen periódicos en el tiempo y con longitud de onda más larga para tanto para el caso del flujo real (??= 0.25 y 0.51) como para el caso del flujo ideal (pared con deslizamiento radial hacia afuera, con ??= 0.25). Desde el punto de vista Euleriano, el comportamiento dinámico del flujo se caracteriza por la alternación periódica en el sentido de rotación de las vórtices de Taylor-Görtler. En contraste, para una cavidad fuertemente curvada (????0.51) con el flujo inducido por el deslizamiento radial hacia fuera de la pared superior, los modos son estacionarios y de longitud de onda muy larga. Los vórtices de Taylor-Görtler juegan un papel importante en la mejora la trasferencia de calor en la cavidad toroidal. Se ha encontrado que los modos de Taylor-Görtler de longitud de onda más larga refuerzan consideradamente el proceso de la mezcla. Los cálculos de la energía cinética y de la vorticidad fluctuante, han demostrado que los primeros modos activos son causados principalmente por los términos de stretching/tilting de las fluctuaciones de vorticidad, y a través de un intercambio de energía entre la vorticidad fluctuante y la vorticidad media.
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Bibliographical Information:

Advisor:Herrero Sabartes, Joan; Giralt Prat, Francesc

School:Universitat Rovira i Virgili

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:departament d enginyeria química

ISBN:

Date of Publication:09/30/2002

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