Anàlisi de la naturalesa de les estructures coherents en l'estela llunyana d'un cilindre.

Abstract

Un dels aspectes dels fluxos turbulents que s'ha tractat amb més interès en els últims anys, és l'estudi de l'existència de moviments de gran escala, repetitius i que presenten una certa organització. Aquests moviments són el que s'ha anomenat estructura coherent.<br/> El present treball intenta aportar una visió més complerta de les estructures coherents en l'estela llunyana turbulenta generada per un cilindre escalfat per una resistència interna. Amb aquesta finalitat s'han realitzat una sèrie d'experiments, emprant tècniques d'anemometria de fil calent, en el túnel aerodinàmic de baixa turbulència de l'E.T.S. d'Enginyeria Química. Aquests experiments han proporcionat dades de temperatura i dels tres components de la velocitat en l'estela llunyana turbulenta (x/D=150). Aquestes dades s'han analitzat emprant un mètode de reconeixement de formes condicional que empra les fluctuacions de temperatura com a marcador del pas de les estructures coherents. <br/>El primer resultat de les anàlisis realitzades ha estat la confirmació de que l'estructura predominant en el pla horitzontal (homogeni) de l'estela és una circulació doble amb fluctuacions negatives del component longitudinal de la velocitat en el centre. De fet aquesta estructura és la que va predir Grant (1958) i en la que s'han recolzat multitud d'estudis posteriors (Mumford, 1983; Ferré, 1986).<br/> Per altra banda, amb l'aplicació del mètode de reconeixement de formes condicional, s'ha obtingut una visió tridimensional del camp dinàmic de l'estructura relacionant-lo amb el camp tèrmic, el de vorticitat i el de la velocitat de deformació. Un resultat interessant de les anàlisis anteriors és la relació existent entre el camp tèrmic i el camp dinàmic de l'estructura. Aquesta relació es pot resumir dient que existeix una correlació negativa entre el component longitudinal de les fluctuacions de la velocitat, u, i les fluctuacions de temperatura, &#952;. Es a dir, a u negatives li corresponen &#952; positives. En canvi existeix una correlació positiva entre el component lateral de la velocitat, v, i les fluctuacions de la temperatura. <br/>Un segon grup de resultats, obtinguts de les anàlisis realitzades, són els que fan referència al contingut energètic de l'estructura i a l'intercanvi d'energia entre les diferents escales de la turbulència. En primer lloc s'ha analitzat el contingut energètic de les finestres de dades seleccionades per obtenir la mitjana de conjunt de l'estructura, observant-se que encara que representen el 40% de les dades totals, aquestes sumen més del 60% de l'energia associada, el que implica que les finestres seleccionades són més important energèticament que la resta.<br/>També s'ha obtingut la distribució dels diferents termes de la producció, que informen de l'intercanvi d'energia entre les diferents escales de la turbulència, es a dir entre el camp mitjà, el camp coherent i el camp incoherent. També es mostren les distribucions de la dissipació i de la funció indicadora d'escala fina (FSTIF). Amb aquest resultats, s'ha pogut analitzar com i quan l'estructura guanya i/o perd energia.<br/>Per últim s'ha realitzat un esquema tridimensional de l'estructura, relacionant-la amb els processos d' engoliment i amb el flux que l'envolta.

One of the topics emphasized in the study of turbulent flows in the last few years has been the identification of large scale organized motions called coherent structures. The present work extends the knowledge of the coherent structures in free turbulence by examining the far wake (x/D=150) of a heated cylinder at a Reynolds number of 9700. Multi-probe experiments carried out using hot- and cold-wire anemometry in a low turbulence wind tunnel, measuring temperature and the three velocity components simultaneously in time. <br/>The data were analyzed using a conditional pattern recognition technique. Basically, events in the temperature field were used to identify the velocity patterns of the coherent structures. Specifically, the pattern recognition software searched for hot-to-cold transitions in the temperature field. In the horizontal planes, the typical footprint identified with the temperature transitions was a double roller eddy with negative streamwise fluctuations in its centre plane. This eddy is similar to that identified by Grant (1958) with correlation measurements and is the origin for a large number of later investigations (Munford, 1983; Ferré, 1986). The present work shows that, in fact, this double roller structure is part of a larger structure which is shaped like a horseshoe.<br/>The use of the conditional pattern recognition technique allows one to obtain the three-dimensional velocity field that characterizes the coherent structure, and its relationship to the temperature field. It was found that the correlation between the temperature fluctuations and the streamwise velocity fluctuations is negative, while the correlation between the same temperature fluctuations and the lateral velocity fluctuations is positive. <br/>In addition, it was observed that the individual horseshoe structures occupy at least 40% of the flow and that these structures contain 60% of the turbulent kinetic energy. Thus, the parts of the flow selected by the technique are more energetic that the mean. As well, the role of the coherent structures in the exchange of energy between different turbulent scales, the mean, the coherent field and the incoherent field has been identified. The distributions of the fine scale turbulence and the dissipation were also investigated relative to the horseshoe structure. These results provide information about where and when the structure gains and loses energy. It was found that the majority of the production and dissipation of fine-scale turbulence occur in the central portion of the three-dimensional horseshoe structure.