Interferencia del flujo alrededor de cilindros circulares en diferentes configuraciones

Abstract

Las tuberías metálicas son estructuras ampliamente utilizadas en la cadena de almacenamiento y distribución de combustibles en la industria de hidrocarburos, minera y petroquímica, entre otras. Estas industrias suelen desarrollarse en zonas geográficas donde dichas estructuras se encuentran expuestas a acciones naturales caracterizadas por fuertes vientos. Por otra parte, este tipo de estructuras no suelen aparecer solas, sino que es común encontrarlas conformando grupos. Bajo ciertas condiciones de proximidad entre las estructuras aparece el fenómeno de interferencia el cual afecta los vórtices desprendidos y las cargas que se generan sobre ellas. En esta tesis se estudia el efecto de la interferencia de estructuras cilíndricas horizontales en diferentes configuraciones para números de Reynolds en los regímenes subcrítico y crítico. Este estudio se desarrolla principalmente basado en simulaciones numéricas de fluidos (CFD) no estacionarias considerando el modelo de turbulencia SAS (Scale-Adaptive Simulation) con la doble finalidad de describir adecuadamente el flujo turbulento y adaptar el esquema SAS para las aplicaciones analizadas en la tesis. Por otra parte, una contribución adicional se lleva a cabo por medio de ensayos experimentales. En la primera parte de este trabajo se realiza un análisis de un cilindro a diferentes proximidades con el suelo. La presencia del suelo afecta considerablemente el flujo alrededor del cilindro y por ende las cargas resultante. Además, se lleva a cabo un estudio numérico de la interferencia del flujo entre dos cilindros en tándem en forma aislada separados a diferentes distancias. Los resultados muestran que esta simple configuración puede influir fuertemente en el patrón de flujo y las fuerzas sobre los cilindros. Por otro lado, se analiza la interferencia de flujo entre cilindros cuando se encuentran en proximidad con el suelo. Los resultados muestran una fuerte dependencia de la combinación de la separación entre cilindros y la proximidad con el suelo. La segunda parte de la investigación surge del estudio de un arreglo escalonado de cilindros adoptando la triple descomposición de la velocidad para obtener el tensor de tensiones de Reynolds, lo cual resulta en la contribución de fluctuaciones coherentes y de la turbulencia. Los resultados obtenidos son muy satisfactorios cuando se los compara con datos experimentales. Finalmente se presentan ensayos experimentales utilizando la técnica PIV (Particle Image Velocimetry) a fin de estudiar aspectos fundamentales del flujo sobre un cilindro circular y la interferencia de dos cilindros separados a diferentes distancias cuando se encuentran apoyados en el suelo. Asimismo, se realizan simulaciones numéricas para un solo cilindro apoyado en el suelo donde se determinan las fortalezas y debilidades en la predicción del campo de flujo.