Demostración de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz utilizando un aparato experimental de bajo costo y simulaciones de dinámica de fluidos computacional
Autores: Gibbons, Melissa M.; Muldoon, Dillon; Khalil, Imane
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Demostración de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz utilizando un aparato experimental de bajo costo y simulaciones de dinámica de fluidos computacional
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Inestabilidad de Kelvin-Helmholtz
Cizallamiento
Fluidos
Modelo de CFD
Aparato experimental
Estudiantes de ingeniería mecánica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Una inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se forma cuando dos fluidos de diferentes densidades ejercen un corte entre sí en su interfaz al fluir en direcciones opuestas. Este documento presenta una guía paso a paso para el diseño de un aparato experimental de tubo inclinado de bajo costo y a pequeña escala, así como un modelo correspondiente de dinámica de fluidos computacional (CFD) que puede ser utilizado para introducir la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz a estudiantes de ingeniería mecánica de pregrado en varios cursos. Un curso de laboratorio de termofluidos es tomado por nuestros estudiantes de ingeniería mecánica de cuarto año, y la variedad general de experimentos ha estado limitada por el costo del equipo docente comercial. El aparato de tubo inclinado permite a los estudiantes inducir y registrar la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, y no hay costos continuos involucrados en la incorporación de este experimento en el curso. En nuestro curso introductorio de CFD, los estudiantes realizan simulaciones de CFD como parte del proceso de diseño y análisis. Desarrollar un modelo de CFD bidimensional (2D) con dos fluidos diferentes está bien dentro de sus capacidades después de completar ejercicios y tareas iniciales de tutoriales de software y simulación. Se realizaron experimentos representativos con agua dulce y agua salada de diferentes densidades, y los resultados mostraron que tanto la amplitud de las olas como la cantidad de tiempo que la inestabilidad fue visible disminuyeron con el aumento de la salinidad del agua salada. Los resultados de un modelo de CFD 2D desarrollado en Ansys Fluent exhibieron las mismas tendencias que los datos experimentales.
Descripción
Una inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se forma cuando dos fluidos de diferentes densidades ejercen un corte entre sí en su interfaz al fluir en direcciones opuestas. Este documento presenta una guía paso a paso para el diseño de un aparato experimental de tubo inclinado de bajo costo y a pequeña escala, así como un modelo correspondiente de dinámica de fluidos computacional (CFD) que puede ser utilizado para introducir la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz a estudiantes de ingeniería mecánica de pregrado en varios cursos. Un curso de laboratorio de termofluidos es tomado por nuestros estudiantes de ingeniería mecánica de cuarto año, y la variedad general de experimentos ha estado limitada por el costo del equipo docente comercial. El aparato de tubo inclinado permite a los estudiantes inducir y registrar la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, y no hay costos continuos involucrados en la incorporación de este experimento en el curso. En nuestro curso introductorio de CFD, los estudiantes realizan simulaciones de CFD como parte del proceso de diseño y análisis. Desarrollar un modelo de CFD bidimensional (2D) con dos fluidos diferentes está bien dentro de sus capacidades después de completar ejercicios y tareas iniciales de tutoriales de software y simulación. Se realizaron experimentos representativos con agua dulce y agua salada de diferentes densidades, y los resultados mostraron que tanto la amplitud de las olas como la cantidad de tiempo que la inestabilidad fue visible disminuyeron con el aumento de la salinidad del agua salada. Los resultados de un modelo de CFD 2D desarrollado en Ansys Fluent exhibieron las mismas tendencias que los datos experimentales.