La organización a gran escala de canales turbulentos
En esta tesis se investigan el origen y la organización de las estructuras grandes que se encuentran en las regiones logarítmica y exterior de la turbulencia parietal. Estas estructuras contienen la mayor parte de la energia cinética turbulenta, son responsables de una fracción apreciable de la resistencia de fricción y juegan un papel fundamental en el transporte turbulento. A pesar de su relevancia, existe mucha menos información acerca de las estructuras grandes que acerca de las estructuras pequeñas de la región de la pared. Esto se debe a la dificultad que entraña su análisis. Para nuestro estudio hacemos uso de los resultados de nuevos experimentos numéricos del flujo turbulento en canales planos, realizados a números de Reynolds, ,más altos y en dominios computacionales más grandes que los existentes hasta la fecha. Parte de los resultados de estos experimentos está disponible en el sitio http://torroja.dmt.upm.es/ftp/channels. alojado en España, o en la réplica http://davinci.tam.uiuc.edu/data/channels. alojada en EE. UU. También es posible acceder a la base de datos completa siguiendo el procedimiento indicado en htlp://davinci.tam.uiuc.edu/content/Channeldata.html. Los resultados indican que las fluctuaciones turbulentas de velocidad en las direcciones paralelas a la pared se organizan formando estructuras muy grandes, cuyo tamaño escala con el espesor del flujo. Estas estructuras, que hemos denominado modos globales, penetran desde el centro del canal hasta la zona de la pared, lo cual explica el escalado incompleto del espectro de energía en esta región. Hemos mostrado que la escala de velocidad de los modos globales es la velocidad media en el centro del canal, llegando a un escalado mixto para en la región exterior, que se reduce a - para. Hemos estudiado las propiedades de semejanza del espectro de energía en la regióN intermedia del flujo, encontrando anomalías en la relación entre las longitudes yanchuras de las escalas grandes de . La forma del escalado anómalo, -, sugiere que las estructuras grandes de son estelas dejadas por objetos compactos de v y W, las cuales se difunden bajo el efecto de la viscosidad turbulenta -. Este fallo de semejanza conduce a correcciones logaritmicas en varios rangos del espectro clásico, que han sido comprobadas usando datos de nuestras simulaciones y de experimentos de laboratorio provenientes de distintos flujos de pared a números de Reynolds mayores que los nuestros. Se ha analizado el origen de las estructuras grandes de la capa logaritmica, hallando que este se encuentra en eyecciones intensas que provienen de la región de la pared. Para este análisis hemos desarrollado un método que permite aislar y clasificar las eyecciones, basándonos en la evidencia de que están asociadas a racimos de torbellinos arraigados en la pared que alcanzan la región intermedia. El campo de velocidad medio condicionado a cada una de estas eyecciones revela una estructura muy larga de,cuya geometría es consistente con el escalado anómalo del espectro en la región intermedia. Estos resultados proporcionan una base estructural para nuestro modelo basado en estelas.
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