Implementación de Modelos de Turbulencia Tipo LES (Large Eddy Simulation) a una Cavidad Calentada por Debajo

Abstract

La convección tipo Rayleigh-Bénard en cavidades se caracteriza por estructuras coherentes, llamadas celdas convectivas. Estas celdas constituyen, en la región central de la cavidad, la principal fuente de transporte de calor y momento, tanto en régimen laminar como turbulento. El crecimiento de las plumas, como así también su choque con la pared opuesta, produce un movimiento horizontal en la capa límite, que es el responsable de la transferencia de calor. En un trabajo anterior se ha implementado distintos modelos de turbulencia tanto tipo RANS (Reynolds Average Navier Stokes), como tipo LES (Large Eddy Simulation) a una cavidad rectangular calentada por debajo. Mediante el análisis de los perfiles de temperatura, se observó que el mayor salto se encontraba en las adyacencias de las paredes activas y el resto de la cavidad permanecía isoterma.
En este trabajo se ha implementado distintos modelos de turbulencia tipo LES a una cavidad rectangular calentada por debajo: OneEqEddy, dynOneEqEddy, Spalart-Allmaras y DES. El modelo de una ecuación (OneEqEddy) resuelve una ecuación de transporte para la energía cinética turbubenta, k; la cual a su vez proporciona la escala para la velocidad de subgrilla. En el modelo dinámico (dynOneEqEddy) los coeficientes de los modelos de escala de sub-grilla son parte del cálculo. Por otro lado, el modelo de Spalart-Allmaras resuelve, también, una ecuación de transporte pero para la viscosidad turbulenta (nutilda). En la espera de encontrar un modelo de turbulencia que describa mejor el comportamiento térmico en las cercanías de las paredes inferior y superior de una cavidad calentada por debajo, donde se pretende estudiar la transferencia de calor, es necesario combinar los modelos RANS y LES. La última aproximación es un modelo híbrido que combina estos dos modelos de turbulencia. En este tipo de aproximación se utiliza el mismo modelo para las variables no resueltas, en todo el dominio, el cual sirve como modelo RANS, cerca de la pared y como modelo SGS, en la región donde se aplica LES. El método más conocido es el que utiliza el modelo de una sola ecuación Spalart-Allmaras para ambas regiones (DES -detached eddy simulation).
En este trabajo se comparan distintos modelos tipo LES: OneEqEddy, dynOneEqEddy, SpalartAllmaras y DES. Se analiza los campos de velocidad en la cavidad y la distribución de temperatura en las paredes inferior y superior. Los saltos de temperatura impuestos son de 40 K y 90 K, se ha considerado una razón de aspecto de 0.2 (H/L, H alto y L largo), número de Prandtl Pr=0.7; y redes de: 125x25x3, 250x50x6, 250x50x12 y 300x60x15.