Caracterización de flujos secundarios turbulentos en ductos curvos.

Los flujos secundarios son aquellos que aparecen en planos transversales a la dirección principal del flujo, usualmente en fenómenos que involucran canales abiertos o conductos. Estos flujos tienen una magnitud relativa menor al flujo principal, y modifican la configuración del mismo. Es posible diferenciar flujos secundarios de dos naturalezas distintas. Los flujos secundarios de primer tipo se dan por la curvatura de los vectores vorticidad media, en el flujo en ductos curvos, y pueden aparecen tanto en régimen laminar como en régimen turbulento. Por el contrario, los flujos secundarios de segundo tipo aparecen únicamente en presencia de turbulencia, en flujos internos como los que involucran ductos de sección cuadrada. Existen numerosas aplicaciones tecnológicas y fenómenos naturales en los que la presencia de flujos secundarios tiene implicancias importantes. Se puede nombrar, por ejemplo, la modificación del lecho en los meandros de los ríos, o bien el uso de generadores de vapor helicoidales en la industria nuclear. Se busca en este trabajo realizar simulaciones directas de turbulencia en un ducto curvo de sección transversal cuadrada, para estudiar la interacción de los flujos secundarios de primer y segundo tipo. En este caso el flujo es forzado por un gradiente de presión que resulta homogéneo sobre la sección transversal. El código de calculo utilizado se desarrollo a partir de la adaptación de un código ya existente, validado y utilizado para realizar simulaciones en un ducto recto de sección cuadrada. Se identificaron e implementaron los cambios necesarios para representar el problema en coordenadas cilíndricas. Se utilizo un código de calculo pseudo-espectral que utiliza expansiones de Fourier en la dirección principal, y expansiones de Chebyshev en las direcciones restantes. Se estudia la in fluencia del radio medio de curvatura sobre el flujo medio y el flujo secundario, y se realiza un estudio de las modificaciones que el flujo secundario introduce en el patrón de flujo medio. Se estudian también las distribuciones de corte en las paredes del ducto, las intensidades turbulentas, la distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, y el balance de energía cinética turbulenta. Se analiza también el flujo en ductos de bajo radio y se observa la aparición de flujos secundarios producidos por inestabilidades centrífugas. En este contexto se hace un análisis del balance de momento lineal con el objetivo de entender el origen de estos flujos secundarios. Finalmente se muestran una serie de resultados globales del flujo para distintos radios de curvatura, con el objetivo de caracterizar propiedades de interés en ingeniería, tales como el factor de fricción y el mezclado turbulento