Evaluación de Metodologías para la Modelación Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) de la Capa Límite en Conductos Circulares

Abstract

La modelación física de problemas hidráulicos es una técnica muy aplicada mundialmente para diseñar, verificar y optimizar estructuras. Los efectos de escala que contaminan sus resultados, debido a la imposibilidad de representar adecuadamente todos los mecanismos físicos, han sido históricamente corregidos mediante criterios empíricos. La irrupción en la Hidráulica de la modelación numérica de tipo CFD (Computational Fluid Dynamics), que resuelve las ecuaciones completas de Navier Stokes, está cambiando este panorama, creando marcos de trabajo de complementación entre ambas. En este contexto, se ha tornado necesario encarar estudios básicos para establecer los alcances de cada una de ellas. En particular, debe determinarse hasta qué punto las pérdidas de energía mecánica ‘por fricción’ (generación de vorticidad en una pared) y ‘por forma’ (desprendimiento de la capa límite) están condicionadas por efectos de escala en los modelos físicos, y si la modelación numérica, en cambio, es capaz de desplegarse sobre todas las escalas, desde las de laboratorio (modelo físico) hasta las de obra (prototipo), con lo cual sería esta última la encargada de extrapolar resultados de una escala a otra. En este trabajo se analiza la capacidad de la modelación numérica de dar cuenta de las pérdidas de energía mecánica por fricción cuando se utiliza un tratamiento tipo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) con modelos de turbulencia de la familia k–epsilon. Se efectúan ensayos sobre conductos circulares, para los cuales existen resultados experimentales bien establecidos que sirven para la validación del modelo numérico.
Se aplican las dos técnicas disponibles para la incorporación de los efectos de la pared: la utilización de funciones de pared, con lo que se evita la resolución de la capa límite, y la resolución explícita de la capa límite, para lo cual se apela a modelos de turbulencia para bajo números de Reynolds. Se muestra que, efectivamente, la modelación CFD-RANS, criteriosamente utilizada, tiene la capacidad de explicar las pérdidas energéticas para todo número de Reynolds, desde flujo laminar a flujo turbulento a muy alto número de Reynolds, incluido el régimen transicional.