Mejoramiento de la Turbulencia por Redes Cuadradas Fractales: Efectos de Múltiples Escalas Fractales
Autores: Omilion, Alexis; Turk, Jodi; Zhang, Wei
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2018
Acceso abierto
Artículo científico
2018
Mejoramiento de la Turbulencia por Redes Cuadradas Fractales: Efectos de Múltiples Escalas Fractales
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Redes fractales
Múltiples escalas de longitud
Flujo turbulento
Iteración fractal
Caída de presión
Transporte de momento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
Las redes fractales multiescala pueden considerarse como una imitación de la característica fractal de objetos de apariencia compleja en la naturaleza, como la red pulmonar ramificada y los corales en biología, la red de ríos, los árboles y las nubes cúmulo en geofísica, y la estructura a gran escala del universo en astronomía. Comprender el papel que tienen múltiples escalas de longitud en el transporte de momento y energía es esencial para la utilización efectiva de redes fractales en una amplia variedad de aplicaciones de ingeniería. Las redes cuadradas fractales, compuestas por el patrón cuadrado básico, se han utilizado para mejorar la mezcla de fluidos como una estrategia de control de flujo pasivo. Si bien estudios anteriores han solidificado el efecto dominante de la escala más grande, los efectos de las escalas más pequeñas y la interacción del rango de escalas en el flujo turbulento generado siguen siendo poco claros. Esta investigación tiene como objetivo determinar la relación entre las escalas fractales (que varían con la iteración fractal N), las estadísticas de turbulencia del flujo y la caída de presión a través de las redes cuadradas fractales utilizando experimentos en túneles de agua bien controlados. Los campos de velocidad instantáneos y promediados en conjunto se obtienen mediante un método de Velocimetría de Imagen de Partículas (PIV) para un conjunto de redes cuadradas fractales (N = 1, 2 y 4) a un número de Reynolds de 3400. La caída de presión estática a través de la red cuadrada fractal se mide mediante un transductor de presión diferencial. Los campos de flujo indican que los múltiples chorros, estelas y las capas de cizallamiento producidas por las múltiples escalas de barras son la física de flujo fundamental que promueve el transporte de momento en la turbulencia generada por la red fractal. El modelo de escala de longitud de interacción de estela se modifica para incorporar los efectos de las escalas más pequeñas y su interacción, mediante el tamaño de malla efectivo Meff y un coeficiente empírico beta. La efectividad de una red cuadrada fractal se evalúa utilizando la intensidad de turbulencia obtenida y el nivel de esfuerzo cortante de Reynolds a costa de la pérdida de presión, que varía con la distancia aguas abajo. A la luz de la prometedora capacidad de las redes fractales para mejorar el transporte de momento y energía, este trabajo puede beneficiar potencialmente a una amplia variedad de aplicaciones donde la mezcla eficiente en energía o la transferencia de calor por convección es un proceso clave.
Descripción
Las redes fractales multiescala pueden considerarse como una imitación de la característica fractal de objetos de apariencia compleja en la naturaleza, como la red pulmonar ramificada y los corales en biología, la red de ríos, los árboles y las nubes cúmulo en geofísica, y la estructura a gran escala del universo en astronomía. Comprender el papel que tienen múltiples escalas de longitud en el transporte de momento y energía es esencial para la utilización efectiva de redes fractales en una amplia variedad de aplicaciones de ingeniería. Las redes cuadradas fractales, compuestas por el patrón cuadrado básico, se han utilizado para mejorar la mezcla de fluidos como una estrategia de control de flujo pasivo. Si bien estudios anteriores han solidificado el efecto dominante de la escala más grande, los efectos de las escalas más pequeñas y la interacción del rango de escalas en el flujo turbulento generado siguen siendo poco claros. Esta investigación tiene como objetivo determinar la relación entre las escalas fractales (que varían con la iteración fractal N), las estadísticas de turbulencia del flujo y la caída de presión a través de las redes cuadradas fractales utilizando experimentos en túneles de agua bien controlados. Los campos de velocidad instantáneos y promediados en conjunto se obtienen mediante un método de Velocimetría de Imagen de Partículas (PIV) para un conjunto de redes cuadradas fractales (N = 1, 2 y 4) a un número de Reynolds de 3400. La caída de presión estática a través de la red cuadrada fractal se mide mediante un transductor de presión diferencial. Los campos de flujo indican que los múltiples chorros, estelas y las capas de cizallamiento producidas por las múltiples escalas de barras son la física de flujo fundamental que promueve el transporte de momento en la turbulencia generada por la red fractal. El modelo de escala de longitud de interacción de estela se modifica para incorporar los efectos de las escalas más pequeñas y su interacción, mediante el tamaño de malla efectivo Meff y un coeficiente empírico beta. La efectividad de una red cuadrada fractal se evalúa utilizando la intensidad de turbulencia obtenida y el nivel de esfuerzo cortante de Reynolds a costa de la pérdida de presión, que varía con la distancia aguas abajo. A la luz de la prometedora capacidad de las redes fractales para mejorar el transporte de momento y energía, este trabajo puede beneficiar potencialmente a una amplia variedad de aplicaciones donde la mezcla eficiente en energía o la transferencia de calor por convección es un proceso clave.