Estudio numérico de inestabilidades en chorros laminares de baja intensidad

Abstract

Oscilaciones autoexcitadas sincronizadas a una determinada frecuencia aparecen en los chorros de baja densidad cuando la relación de densidad del chorro con respecto al ambiente, está por debajo de un valor crítico. Este comportamiento está asociado a una inestabilidad absoluta del flujo base. Se ha llevado a cabo una serie de simulaciones numéricas con el código comercial FLUENT con el objetivo de describir el comportamiento inestable de un chorro de baja densidad y situar la frontera de transición de convectivamente a absolutamente inestable en función de los parámetros del chorro: el número de Reynolds, la relación de densidades chorro-ambiente, S, y el espesor de cantidad de movimiento θ. Los cálculos se han realizado para un chorro de mezcla helio-aire descargando en un ambiente quieto de aire a través de un inyector circular de radio R. Se considera que el chorro es axilsimétrico, incompresible, e isotermo; y para su estudio no se tiene en cuenta el efecto de la gravedad. En el análisis de los resultados de las simulaciones, se estudia la inestabilidad, y los parámetros críticos que caracterizan la transición. Además, se intenta describir el fenómeno del apareamiento de vórtices, y se calcula el número de Strouhal para cada caso absolutamente inestable. Por último, se hace una comparación de los resultados con experimentos y análisis numéricos que se encuentran en la literatura sobre este asunto. _____________________________________________________________________

Self-excited oscillations synchronized at a well-defined frequency are supported by low-density jets when the jet-to-ambient density ratio is smaller than a critical value. This behavior is connected to an absolute instability in the base flow. Numerical simulations have been calculated through a commercial code, called FLUENT, in order to describe the unstable behavior of a low-density jet and to define the absolute-convective instability transition according to the jet parameters: the Reynolds number, the jet-to-ambient density ratio, S, and the momentum thickness θ. The calculations have been carried out for an axisymmetric jet of a helium/air mixture emerging into quiescent ambient air from a circular injector of radius R. We consider an incompressible and isothermal jet without taking into account the effect of gravity. Analyzing the results of the simulations, we observe the instability and the critical parameters that characterize the transition. Moreover, we try to describe the occurrence of vortex pairing and we calculate the Strouhal number for each absolute instable case. Finally, we compare our results with experiments and numerical analyses of previous works about this subject.