Resum:

La Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) es una importante disciplina para el estudio de flujos multifase. Esto se debe a que, en este tipo de flujos, la mayor parte de los fenómenos físicos ocurren en escalas de tiempo y espacio imposibles de detectar mediante una metodología experimental. Sin embargo, los enfoques numéricos están limitados por la potencia de cálculo de los ordenadores actuales. En este sentido, pequeñas mejoras en la eficiencia de las simulaciones pueden marcar la diferencia entre un problema que puede resolverse mediante CFD o uno que no. En la presente tesis doctoral se propone el desarrollo de varios algoritmos numéricos para optimizar simulaciones de flujos multifase basadas en formulaciones "single fluids", aplicadas en mallas no estructuradas y tridimensionales, en el contexto de discretizaciones "finite-volume".

El trabajo se ha organizado en cinco capítulos y cuatro apéndices. El primer capítulo constituye una introducción a los flujos multifase y a los distintos enfoques usados para estudiarlos. El trabajo nuclear de la presente tesis reside en los capítulos tres, cuatro y cinco. En dichos capítulos se presentan las mejoras realizadas en las técnicas de resolución de flujos multifase mediante una metodología "DNS", aportando comparaciones de resultados y discusiones críticas de los resultados obtenidos. Después de desarrollar las ideas centrales de la tesis, se presenta un capítulo final con las conclusiones destacadas de este trabajo, señalando posibles líneas de trabajo futuro. Finalmente, se incluyen varios apéndices con material complementario que puede ser útil para profundizar en algún aspecto concreto del desarrollo, pero que a su vez no es esencial para entender las ideas principales del texto.

Como se explica anteriormente, el trabajo central de la tesis se ha desarrollado a lo largo de los capítulos dos, tres y cuatro. En el segundo capítulo se formulan y prueban cuatro métodos de optimización de dominios de cálculo. Mediante la utilización de estos métodos se hace posible usar dominios de cálculo pequeños en problemas de burbujas ascendentes, ahorrando así recursos computacionales. Algunos de estos métodos requieren el uso de fronteras abiertas, por lo que se propone un estudio detallado de las condiciones de contorno de entrada y salida. Esto incluye el desarrollo de una nueva condición tipo "outflow". A continuación se estudia en profundidad el dimensionamiento del dominio de cálculo, prestando una atención especial a la posición de las fronteras de entrada y de salida. Con todo esto, el capítulo se cierra con una comparativa del rendimiento de los distintos métodos propuestos en varios problemas de burbujas ascendentes.

El tercer capítulo presenta un estudio físico de un problema clave: la burbuja de Taylor. Usando la técnica con mejor rendimiento del capítulo anterior (es decir, la técnica de malla móvil), se aborda el problema de una burbuja alargada moviéndose en un fluido en reposo. Se lleva a cabo un estudio transitorio de la velocidad del campo fluido. Además, se realizan varios estudios de sensibilidad con respecto a la forma inicial de la burbuja, su volumen inicial, el régimen de flujo y la inclinación del canal.

Por último, en el cuarto capítulo se presenta una extensión del método desarrollado para simular gotas y burbujas evolucionando en geometrías complejas. El uso de un método "Immersed Boundary" permite tratar geometrías complejas y reproducir fronteras internas en métodos que utilicen mallas móviles. En este punto, se estudian diversos problemas para validar la formulación propuesta, tanto en geometrías constrictivas como en no constrictivas. En particular, se han resuelto los siguientes problemas: una burbuja 2D interaccionando con un plano inclinado, una burbuja de Taylor 2D girando en un tubo curvo, el ascenso de una gota 3D dentro de un canal corrugado, y el impacto de una gota 3D contra una placa horizontal..