Formación de vórtices en junturas X: dependencia con la relación de aspecto y análisis de sensibilidad

PABLO GERMÁN CORREA; JUAN MANUEL GOMBA; JONATAN R. MAC INTYRE; UBAL, SEBASTIÁN; CARLOS ALBERTO PERAZZO; HULIN, JEAN PIERRE; AURADOU, HAROLDO

Córdoba

Congreso; 105 Reunión de la Asocicación Fisica Argentina; 2020

Asocicación Fisica Argentina

Estudiamos de manera numérica la formación de vórtices en el cruce de dos canales rectilíneos de sección rectangular que se intersectan en ángulo recto (o juntura X) a valores del número de Reynolds moderados (Re < 70). La juntura X se caracteriza por su relación de aspecto AR = H/W, siendo H y W el alto y el ancho de los canales, respectivamente. Realizamos simulaciones directas tridimensionales resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes para un líquido newtoniano en una configuración de dos entradas enfrentadas y dos salidas. Por encima de un valor crítico del número de Reynolds observamos la aparición de vórtices estacionarios en el cruce de los dos canales. La cantidad de estos vórtices y el valor de Re crítico dependen solamente de la relación de aspecto AR, siendo el número de vórtices creciente con AR. De formarse un solo vórtice, ambos fluidos se mezclan a lo largo de ambos canales de salida. Por el contrario, la formación de múltiples vórtices genera una separación de los fluidos en una estructura de bandas alternadas hacia las salidas de la juntura. Mediante un análisis de estabilidad lineal calculamos el valor crítico de Re para distintos valores de AR, resultado que concuerda con los valores obtenidos de las simulaciones directas. Del análisis lineal también observamos que el comportamiento del modo global más inestable predice correctamente la cantidad de vórtices que puede presentar el flujo. A partir de la formulación del problema lineal adjunto realizamos el cómputo de la sensibilidad estructural del problema. Las regiones con sensibilidad alta indican la ubicación donde la inestabilidad se origina, en este caso en la zona de cruce de los canales, cercanas a las paredes inferior y superior de la juntura. Por último, la existencia de estos vórtices y sus características resulta de interés en potenciales aplicaciones para el control de flujos, el mezclado y la separación de especies líquidas en dispositivos de microfluídica.