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Título : ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FLUJO SOBRE UN ESCALÓN MEDIANTE LA TÉCNICA PIV
Autor : DR. JIMÉNEZ BERNAL, JOSÉ ALFREDO
ING. JUÁREZ MONTALVO, ADÁN
Palabras clave : TÉCNICA PIV
Fecha de publicación : 29-abr-2011
Resumen : In this work an experimental study is presented. This study was carried out in the Labinthap, in a rectangular channel containing a step. This channel is 1400 mm length, 100 mm width, and 20 mm height; and it is built in cast acrylic with a walk thickness 0f 9 mm. The contained step is 700 mm length, 100 mm width and 10 mm height. This means its aspect ratio w/h=10. This aspect ratio value is the minimum value that allows a reduction of walls effects on the flow. Reynolds number was calculated using step height as characteristic length (Reh). In this work the following cases for Reh were studied: 281, 562, 843, 1124, 1404 and 1685. For the same flow conditions a different Reynolds number calculation was performed using hydraulic diameter as characteristic length obtaining: Reφ = 1021, 2043, 3064, 4086, 5107, and 6128. For the first value of Reφ, it was observed that average velocity profiles were similar to turbulent profiles because the test area was placed at a distance frow flow entrance that was not enough for fully developed laminar flow. The experiments were performed at two different zones: zone A placed at step base, and zone B separated 120 mm from the step base. The test area is 1600 x 1186 pix (22.77 x 16.89 mm) both, Forward facing step (FFS) and Backward facing step (BFS) flows were analyzed in both zones. For the FFS case, only a vortex appeared. Meanwhile, for the BFS case two vortices appeared: a main vortex and a secondary one. It was found that the vortex dimensions and core position change with Reφ. Velocity profiles at the step zone show negative velocities in both cases (FFS and BFS) which illustrates flow recirculation. urms and vrms at zone B turned out to be of similar magnitude for both cases. On the other hand, at zone A urms for BFS is larger than urms for FFS, which could be a sign of inestability for that case. Average vorticity at zone B is similar in both cases. However, at zone A FFS average vorticity is larger. It was observed that when vorticity increases, urms decreases. Vortex core position for the FFS case is directly related to Reφ. For the BFS case no tendency was found, but variation ranges for vortex core position were observed for different Reφ. For the interface layer observed between main and secondary vortices in the BFS case, horizontal position changes as Reφ increases
Descripción : En este trabajo de tesis se presenta un estudio experimental; llevado a cabo en el labinthap, en un canal rectangular que contiene un escalón. El canal utilizado para los experimentos tiene una longitud, L = 1400 mm, un ancho w =100 mm y una altura H = 20 mm, construido de acrílico transparente con un espesor de pared de 9 mm. El escalón tiene una longitud, llc = 600 mm, un ancho w = 100 mm y una altura h = 10 mm. Esto da una relación de aspecto w/h=10. Este es el valor mínimo de relación de aspecto que permite reducir el efecto de las paredes laterales sobre el flujo. Los números de Reynolds basados en la altura del escalón Reh, utilizados en este trabajo son: 281, 562, 843, 1124, 1404 y 1685. Estos corresponden a los números de Reynolds basados en el diámetro hidráulico Reφ = 1021, 2043, 3064,4086, 5107 y 6128. En el primer Reφ se observó en los perfiles de velocidad que el flujo presentaba un perfil de tipo turbulento debido a que la distancia a la que se colocó el escalón es muy pequeña, comparada con la distancia necesaria para obtener flujo desarrollado a régimen laminar. Los experimentos se realizaron en una zona localizada en la base del escalón a la cual se le llamo zona A y en una zona posterior localizada 120 mm de la base del escalón llamada zona B. La región total de visión del flujo corresponde a un área de 1600 pix x 1186 pix (22.77 mm x 16. 89 mm). El flujo se analizó en las dos regiones mencionadas anteriormente para el caso del flujo hacia el frente del escalón (FFS) y flujo hacia atrás del escalón (BFS). La técnica experimental que se empleó para la medición es velocimetría mediante imágenes de partículas (PIV). Esta es una técnica óptica laser no intrusiva. El empleo de esta técnica permitió que se evaluaran los siguientes parámetros del flujo: campos de velocidad instantáneos y promedio, perfiles de velocidad, evaluación de la urms y vrms para fluctuaciones de la velocidad, vorticidad, posición del centro del vórtice y tamaño del vortice. Los campos de velocidad muestran para el caso FFS un único vórtice, mientras que para el caso BFS muestran un vórtice secundario y parte del vórtice primario. Las dimensiones de estos vórtices, así como la posición de su centro (xe, ye) se encontró que varían con el Reφ. Los perfiles de velocidad en la zona del escalón presentan velocidades negativas en ambos casos (FFS y BFS) lo cual indica recirculación del flujo. Las urms y vrms de las fluctuaciones de la velocidad en la zona B resultaron ser de magnitud similar para ambos casos de dirección del flujo analizados, para la zona A la urms resulto ser mayor para el caso BFS que el FFS, lo cual podría ser una indicación de que el caso BFS es más inestable que el caso FFS en la base del escalón. La vorticidad promedio para la zona B es de magnitud similar en ambas direcciones del flujo analizadas, para la zona A la magnitud de la vorticidad es mayor en el caso FFS. Fue observado que cuando la vorticidad se incrementa, urms disminuye. La posición del centro del vórtice para el caso FFS esta relacionada con el número de Reφ. En el caso BFS no se encontró una tendencia específica pero si se observaron rangos de variación de la posición del centro a diferentes Reφ. Para la capa de separación del vórtice primario-secundario del caso BFS se observaron valores crecientes en la coordenada horizontal al aumentar Reφ.
URI : http://www.repositoriodigital.ipn.mx/handle/123456789/8093
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