Aprèn - Núria Masclans Serrat

Aquest treball analitzarà turbulència microconfinada per a fluxos supercrítics realitzant computacions \textit{Direct Numerical Simulation} en alta pressió ($P/P_c = 2$) usant N$_2$ en condicions transcrítiques imposades per una diferència de temperatura entre les parets inferior (${T/T_c}=0.75$) i superior (${T/T_c}=1.5$) amb un Reynolds de fricció de $Re_\tau = 100$ per a la paret inferior. En específic, aquest estudi se centra a analitzar les petites escales del flux usant els invariants del gradient de velocitats. A més, els resultats seran comparats amb un cas en condicions de baixa pressió per caracteritzar les semblances i les diferències en el flux turbulent d'un fluid supercrític i subcrític. Finalment, s'analitzen tots els termes de l'equació de vorticitat per a fluxos compressibles per entendre els mecanismes que dominen la física del fluid al problema estudiat. L'anàlisi conclou que l'existència d'un parell baroclínic localitzat a prop de la paret calenta/superior, generat per la combinació d'una força externa en el sentit de marxa del fluid i el gradient de densitat de la regió pseudoboiling perpendicular a la paret, provoca un increment en la rotació del fluid en comparació amb el cas de baixa pressió.

Este trabajo analizará turbulencia microconfinada para flujos supercríticos realizando computaciones usando \textit{Direct Numerical Simulations} en alta presión ($P/P_c = 2$) usando N$_2$ en condiciones transcríticas impuestas por una diferencia de temperatura entre las paredes inferior (${T/T_c}=0.75$) y superior (${T/T_c}=1.5$) con un Reynolds de fricción de $Re_\tau = 100$ para la pared inferior. En específico, este estudio se centra en analizar las pequeñas escalas del flujo empleando los invariantes del gradiente de velocidades. Además, los resultados serán comparados con un caso con condiciones de baja presión para caracterizar las semejanzas y diferencias en el flujo turbulento de un fluido supercrítico y subcrítico. En este estudio se ha encontrado que las pequeñas escalas turbulentas cerca de la pared caliente tienen un comportamiento distinto comparado con los otros casos, el movimiento y forma de los vórtices tienen un comportamiento más extremo, llegando a conseguir más disipación en la región viscosa, así como llegar a observar movimientos de compresión y no solo de dilatación. Finalmente, se analizan todos los términos de la ecuación de vorticidad para flujos compresibles para entender los mecanismos que dominan la física del fluido en el problema estudiado. El análisis concluye que la existencia de un esfuerzo de torsión baroclínico localizado cerca de la pared caliente/superior, generado por la combinación de una fuerza externa en el sentido de marcha del fluido y el gradiente de densidad de la región pseudo-boiling perpendicular a la pared, provoca un incremento en la rotación del fluido en comparación al caso de baja presión.

This work, consequently, analyzes supercritical microconfined turbulence by computing direct numerical simulations of high-pressure ($P/P_c = 2$) N$_2$ at transcritical conditions imposed by a temperature difference between the bottom (${T/T_c}=0.75$) and top (${T/T_c}=1.5$) walls for a friction Reynolds number of $Re_\tau = 100$ (bottom wall). In particular, the study focuses on analyzing the small-scale flow structures based on the invariants of the velocity-gradient tensor. Additionally, the results are compared against an equivalent case at low-pressure conditions to carefully characterize the semblances and differences between the turbulent flow at supercritical and subcritical operating conditions. According to this study, turbulent scales near hot walls with high pressure exhibit different behaviours than those with low pressure. As a result, the vortical motion shapes change and become more extreme, resulting in a significantly higher dissipation rate within the viscous layer, as well as observing compressive motions along stretching-dominated regions. Finally, a decomposition of the vorticity transport equation has been performed to provide insight on the fundamental mechanisms governing the flow physics of the problem under study. The analysis concludes that the existence of a baroclinic torque localized in the vicinity of the hot/top wall, which is generated by the combination of the external force driving the flow in the streamwise direction and the density gradient across the pseudo-boiling region in the wall-normal direction, yields a significant increment of flow rotation in comparison to the low-pressure turbulent case also considered.