Lectura de Tesi Doctoral d'Arnau Miró Jané

Lectura de Tesi Doctoral

Flow and Heat Transfer of Impinging Synthetic Jets

Autor: Arnau Miró Jané

Data de lectura: 19/06/2019
Hora de lectura: 13:00
Lloc de lectura: Sala de Juntes, TR5, de l'ESEIAAT- UPC Terrassa.
Directors de tesi: Manuel Soria Guerrero i Juan Carlos Cajas García

Resum de tesi: 

Els jets sintètics (SJ) són produïts pel moviment oscil·latori d'una membrana a l'interior d'una cavitat, cosa que fa que el líquid entri i surti per un petit orifici. Això es tradueix en un jet que és capaç de transferir energia cinètica i impuls a un medi fluid sense la necessitat d'una font externa. És per això que els SJ són interessants i tindran un paper clau en una àmplia gamma d'aplicacions rellevants, com ara el control actiu de flux, el refredament tèrmic o la barreja de combustible. Des del punt de vista fenomenològic, els SJ estan formats per patrons de flux elaborats per la seva naturalesa no lineal i, sota certes condicions, es poden observar fluxos complexos i inestables. Aquesta tesis està centrada en la investigació del flux de fluids i el rendiment tèrmic dels jets sintètics. S'estudien dues geometries diferents d¿actuadors de SJ (és a dir, ranurats i circulars). Els jets en ambdues configuracions estan confinats per dues plaques isotèrmiques paral·leles amb una diferència de temperatura imposada i afecten a una placa escalfada situada a una certa distància de l'orifici de l'actuador. Les equacions tridimensionals inestables de Navier-Stokes es resolen per un nombre de Reynolds utilitzant simulacions numèriques precises en el temps. A més, es desenvolupa un model detallat de l'actuador que utilitza la formulació arbitrària lagrangiana-euleriana (ALE) per explicar el moviment de la membrana de l'actuador. Aquest model, basat en els números de govern del flux, s'utilitza per realitzar els anàlisis numèrics. Els fluxos obtinguts en ambdues configuracions són notablement diferents i tridimensionals per a gairebé tots els números de Reynolds considerats. El jet en la configuració ranurada està format per un parell de vòrtexs que experimenten una transició turbulenta que finalment formen el jet. El flux extern està dominat per dues recirculacions principals amb els seus homòlegs dins de la cavitat de l'actuador. Una nova estructura, observada en els jets ranurats confinats, apareix com una interacció del flux amb la paret inferior i provoca un canvi en els mecanismes de transferència de calor del jet. D'altra banda, el jet en la configuració circular presenta tres regions de flux diferents que s'han identificat segons la literatura: l'anell de vortex principal, el jet final i el nucli potencial. En aquest cas, el flux extern està dominat per l'anell de vortex principal i el jet de sortida, presentant així un comportament diferent de morfologia i transferència de calor que la configuració ranurada. Un anàlisi detallat de les trajectòries de vòrtex ha demostrat que els vòrtexs de la configuració circular arriben a la paret superior abans que els seus homòlegs ranurats. Les distribucions d'energia cinètica turbulenta a l'expulsió, entre altres, han revelat que el flux del jet circular es concentra majoritàriament a prop de la línia central del jet, mentre que és més estès per a la configuració ranurada. Per aquestes raons, a la mateixa velocitat d'ejecció del jet i geometria de l'actuador, la formació de SJ en la configuració circular pot produir-se a freqüències més altes que a la configuració ranurada. L'anàlisi de la temperatura de sortida dels SJ ha demostrat que assumir un perfil uniforme és raonable si el nombre de Reynolds és prou elevat. A més, la temperatura del jet de sortida és significativament superior a la temperatura de la placa freda. Les dues configuracions presenten diferents comportaments a causa de les diferències en el flux. L¿anàlisi de la transferència de calor a la paret calenta ha revelat que la configuració circular arriba a un màxim de transferència de calor més gran que la configuració ranurada, però, la transferència de calor es desaccelera més ràpidament en la configuració circular quan s¿allunya de la línia central. Finalment, es proposen correlacions per a la transferència de calor a la pare