Resumen:
En esta tesis presentamos un estudio sistemático de la dinámica de partículas en flujos turbulentos rotantes. Este tipo de sistemas es de gran interés en una amplia variedad de contextos, tanto para entender fenómenos naturales como industriales. El estudio de los mecanismos físicos involucrados en estos procesos es relevante para entender la atmósfera terrestre a gran escala y sus océanos, atmósferas gaseosas planetarias, y otros sistemas astrofísicos. Mediante simulaciones numéricas directas de hasta 5123 puntos de grilla se integraron las ecuaciones de Navier-Stokes y de Maxey-Riley para la trayectoria de las partículas con el software GHOST considerando efectos de masa agregada. Los efectos de la fuerza centrífuga y de Coriolis para las partículas se agregaron al código como parte de esta tesis. Las ecuaciones se integraron en un dominio cúbico, con condiciones de contorno periódicas y se dejó evolucionar el flujo hasta obtener un estado turbulento sostenido mediante un forzado de fase aleatoria e intensidad constante. En sucesivas simulaciones se varió el número de Rossby entre 0.015 y 0.24 y se realizó además una simulación sin rotación. En todas las simulaciones se despreciaron los efectos de la gravedad. Se observó que el espectro de energía sigue un comportamiento compatible con una ley de potencias con exponente −5/3 en el caso sin rotación y −2 en el caso rotante. Para las partículas se usaron dos números de Stokes (0.3 y 3) para partículas con la misma densidad que el fluido. Se calcularon los tiempos de correlación de la velocidad de las partículas en la dirección paralela y perpendicular al eje de rotación y se observó que en general los tiempos paralelos son mayores a los perpendiculares. Se calcularon las funciones de distribución de probabilidad de desplazamientos en el plano paralelo y perpendicular para tiempos menores y mayores al de correlación y encontramos que las partículas recorren distancias más grandes en el plano perpendicular. A partir del análisis del desplazamiento cuadrático medio en las direcciones paralela y perpendicular se encontró que las partículas tienen un comportamiento balístico para tiempos menores al tiempo de correlación y un comportamiento difusivo para tiempos mayores al tiempo de correlación en las simulaciones con más baja rotación, pero super-balístico en el caso rotante. Otro aspecto analizado fue el de acumulación preferencial. Este estudio se realizó mediante diagramas de Voronoï para la posición de las partículas. Se encontró que no hay formación de clusters de partículas en ninguno de los casos estudiados.
Citación:
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Zapata, Florencia. (2021). Dinámica de partículas livianas y pesadas en turbulencia rotante. (Tesis de Grado. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000115_Zapata
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Zapata, Florencia. "Dinámica de partículas livianas y pesadas en turbulencia rotante". Tesis de Grado, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2021.https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000115_Zapata
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