Estudio numérico de la influencia de la convección de Rayleigh-Bernard en flujos giratorios no confinados

Abstract

El fenómeno físico por el cual se produce la rotura de un vórtice es de gran importancia en diferentes situaciones. Ha sido objeto de estudio desde hace aproximadamente 60 años. Para abordarlo, en este trabajo se afronta primero mediante la resolución de otro fenómeno físico conocido como penacho térmico, que sería análogo al vórtice si tuviera flujo giratorio. Se estudia este fenómeno producido por la existencia de un foco inmerso en el fluido y por una placa caliente, tanto para el enfoque bidimensional como axisimétrico. A continuación se implementa el vórtice mecánico y se estudian los resultados obtenidos, comparándolos con los obtenidos de la literatura. En este trabajo se tiene en cuenta la rotura de tipo burbuja. Finalmente, se le introduce la ecuación de la energía, modelando el aporte de calor en el flujo giratorio mediante un foco. A lo largo de todo el documento se compara el coste computacional, así como la eficiencia, entre el método de diferencias finitas y el método de líneas.

The physical phenomenon by which a vortex breakdown occurs is of great importance in different situations. It has been the subject of many investigations for 60 years. To address this, this work is first approached by solving another physical phenomenon known as thermal plume, which would be analogous to the vortex if it had rotating flow. This phenomenon, which is produced by the existence of a focus immersed in the fluid and by a hot plate, is studied, both for the two-dimensional and axisymmetric approach. Then the mechanical vortex is implemented and the results obtained are studied, comparing them with those obtained from the literature. Finally, the energy equation is introduced, modeling the input of heat in the rotating flow by means of a focus. Throughout the whole document, the computational cost as well as efficiency is compared between the finite difference method and the line method.