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Modelando la transición de la turbulencia impulsada por cizalladura a la turbulencia convectiva en una tubería vertical calentada

Autores: Chu, Shijun; Marensi, Elena; Willis, Ashley P.

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2025

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Acceso abierto

Artículo científico
2025

Modelando la transición de la turbulencia impulsada por cizalladura a la turbulencia convectiva en una tubería vertical calentada


Categoría

Matemáticas

Subcategoría

Matemáticas generales

Palabras clave

Flujo de tubería caliente
Fuerza de flotabilidad
Propiedades de transferencia de calor
Gradiente de temperatura axial
Simulaciones numéricas directas
Dinámica del flujo

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 35

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
El flujo de tubería caliente se utiliza ampliamente en aplicaciones de ingeniería térmica, pero la presencia de la fuerza de flotabilidad puede causar intermitencia, o múltiples estados de flujo en los mismos valores de parámetros. Tales cambios en el flujo conducen a cambios sustanciales en sus propiedades de transferencia de calor y, por lo tanto, a cambios significativos en el gradiente de temperatura axial. Por lo tanto, presentamos un modelo que presenta un gradiente de temperatura axial de fondo dependiente del tiempo, y consideramos dos condiciones de contorno de temperatura: diferencia de temperatura fija y flujo de calor de contorno fijo. Las simulaciones numéricas directas (DNS) se basan en el marco pseudoespectral, y se logra un buen acuerdo entre los resultados numéricos actuales y los resultados experimentales. El código se extiende a Openpipeflow y está disponible en el sitio web. Se examina el efecto del dominio axial periódico en la dinámica del flujo y la transferencia de calor, utilizando tuberías de longitud y. Si el flujo es completamente turbulento, los resultados muestran un acuerdo cercano para los perfiles de flujo y temperatura medios, y solo ligeras diferencias en las fluctuaciones cuadráticas medias. Cuando el flujo muestra intermitencia espacial, la transferencia de calor tiende a ser sobreestimada utilizando una tubería corta, ya que la turbulencia de cizallamiento llena el dominio. Esto es particularmente importante cuando la turbulencia de cizallamiento comienza a ser suprimida en números de flotabilidad intermedios. Finalmente, en tales números de flotabilidad intermedios, confirmamos que la disminución de la turbulencia de cizallamiento localizada en el flujo de tubería caliente sigue un proceso sin memoria, similar al de un flujo isotérmico. Mientras que el flujo isotérmico se laminariza, la turbulencia convectiva en el flujo caliente puede desencadenar intermitentemente ráfagas de turbulencia similar a la de cizallamiento.

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