Laboratorio LEAF-NL

Prof. R. H. Hernández

  Depto. Ingeniería Mecánica -  U. de Chile     





TEMAS DE MEMORIA 2024


Pulsed jet-flow perturbations in the turbulent wake of a cylinder.

In this work we study pressure-velocity statistics measured simultaneously on the surface boundary layer and the near wake of a circular cylinder in cross flow in turbulent regime in a wind tunnel. We apply a coherent mean method to determine to a what extent wall pressure fluctuations can be conditioned to the near wake turbulent vortex motion. The method allows us to use of wake turbulent events and associate a corresponding wall-pressure signature around the whole cylinder surface using discrete flush-mounted surface pressure transducers. Simultaneous measurements of both time series of wake velocity and wall pressure allow us to characterize the mutual influence of hydrodynamic perturbations from the boundary layer surface pressure and the wake velocity fluctuations. Large scale turbulent vortex shedding is well correlated to surface pressure fluctuations as expected in the low frequency rage of the power spectra. Wake velocity and wall pressure signals were used to determine the synchronous influence of large scale vortex shedding over the whole cylinder’s surface and allowed full assessment of the statistical properties of the instantaneous fluctuating wall pressure field and the velocity field in the near wake.

turbulent pressure fluctuations
Impact of Tsunami-like non-linear waves on a solid body.

In this work we will study the wave-induced vortex generation and shedding from a vertical square/circular cylinder interacting with an upcoming undular bore/tsunami wave train. A turbulent Large Eddy numerical simulation (LES)  solving the full turbulent viscous 3D Navier-Stokes equations is carried out in order to study and characterize both the undular bore wave properties and the vortex dynamics during the interaction. No base flow is set-up and the undular bore is generated by the impulsive motion of a piston wavemaker performed on a laboratory scale numerical wave tank. The piston motion leads to the formation of a neat propagating wave train which was fully characterized. While the undular bore interacts with a downstream rigid square cylinder, coherent structures formed at the four cylinder’s edges which are triggered by the wave motion, leading to a vortex shedding frequency which matched the wave instantaneous frequency. Filamentary vertical vortices can be observed extending along the entire water column from the free-surface to the seabed. At the rear downstream face of the cylinder, the pairing of two vortices occurs. These vortices are present during the whole cycle and are submitted to the mechanical forcing and downstream advection by the undular bore/tsunami induced flow.
Undularbore and cylinder
Inestabilidad de von Kármán

Estudio numérico y/o experimental de la calle de vórtices de von Kármán (von Kármán Street) que consiste en la emisión periódica de vórtices en la estela de un cuerpo. En la imagen se aprecia la estela inestable producida por un cilindro enfrentando un flujo de agua (desde la izquierda a la derecha) y los vórtices generados periódicamente. Este fenómeno puede ocurrir cuando el flujo se genera entre dos casquetes esféricos y el cuerpo se ubica en forma normal a la s 2 superficies. Una esfera exterior fija y una esfera interior girando a velocidad angular constante con un cilindro perpendicular a su superficie. Este fenómeno tiene mucha similitud con los torbellinos observados en la atmósfera de Júpiter
von karman Street
Anillos de vorticidad

Estudio numérico de mecánica de fluidos utilizando métodos numéricos tipo Large Eddy Simulation (LES) para modelar una cámara hidrodinámica, equipada  con actuadores independientes para producir anillos de vorticidad (laminar y turbulento) con el objetivo de estudiar las estructuras de vorticidad secundarias originadas luego de una colisión entre múltiples anillos de vorticidad.  Explorar  el regimen laminar, inestable y turbulento.  Los resultados serán conparados con datos experimentales obtenidos con técnicas  de medición de velocidad tipo Laser Doppler Anemometry (LDA) y Particle Image Velocimetry (PIV). 

colisión entre anillos de vorticidad
Interacción de plumas térmicas

A thermal plume is a localized spot of heat (hot or cold fluid) that spreads through the fluid due to the effect of thermal thrust. We study a simple PID feedback control strategy to drive thermal plume dynamics in a water column. A heater located at the base of the water reservoir provides heat to create a thermal plume which is then monitored by sensors to perform feedback control actions.

Una pluma térmica es una zona localizada de calor (fluido frío o caliente) que se propaga a través del fluido debido al efecto del empuje térmico. Estudiamos una estrategia simple de control de retroalimentación PID para generar plumas térmicas en una columna de agua. Un calentador ubicado en la base del depósito de agua proporciona calor para crear una columna térmica que luego es monitoreada por sensores para realizar acciones de control de retroalimentación.

Es un estudio experimental de la generación de plumas térmicas en un líquido al interior de una cámara de acrílico. Una pluma térmica es un fenómeno de convección natural que consiste en la evolución de un pulso de calor (o frío) localizado, que se propaga a través del fluido producto del efecto del empuje térmico suministrado por una fuente de calor. En la imagen se observa la emisión de una pluma que asciende y transita a la turbulencia. Colisiones entre plumas y efecto de la secuencia temporal/espacial de activación de la plumas.  Se pueden activar bajo reglas de feedback. Se utilizarán técnicas de medición de velocidad tipo Laser Doppler Anemometry (LDA) y Particle Image Velocimetry (PIV). 
Schlieren pluma térmica
Taylor Couette horizontal

Se estudia la levitación de cuerpos pequeños al interior de un cilindro o tambor horizontal en rotación. La idea es colocar un cuerpo sólido (cilindro pequeño, placa, triangulo, etc,) dentro del tambor giratorio horizontal lleno de agua. La figura muestra una configuración horizontal de Taylor-Couette. Dejaremos que el cilindro pequeño se mueva libremente por las fuerzas hidrodinámicas internas producidas por el flujo. Explorar el regimen laminar, inestable y turbulento. Medición de velocidad con LDA y PIV. 

cilindro levitando
Cortador Metalúrgico

Este tema está orientado a la minería. Se trata del diseño y construcción de una cortador de pulpas mineras. El objetivo de este dispositivo es tomar muestras a escala de laboratorio de la concentración de partículas de diversos minerales hidro-transportadas en procesos mineros.  La memoria contempla una primera etapa de diseño del cortador en base a un modelo CAD en Fusion 360 (Autodesk).  Luego una etapa de fabricación en diferentes materiales asistida a través de maquinado en router CNC e impresión 3D. El tema culmina con una etapa de instrumentación utilizando sensores de velocidad, caudal y presión integrados a una plataforma digital de adqusición y post procesamiento de datos. Explorar los distintos regimenes de flujo y su influencia en el muestreo.
Cortador tipo Sam Stat
Propulsor hidrodinámico submarino

Este trabajo está inspirado en el sistema de propulsión y diseño hidrodinámico del calamar. Se busca implementar un nuevo propulsor hidrodinámico basado en el movimiento pulsátil, es decir mediante cortos pulsos de fluido (jets) modulados tanto en velocidad de expulsión como en caudal para provocar el movimiento. De esta manera se quiere desarrollar un propulsor hidrodinámico con un método eficiente de movimiento, similar al estudiado por Erik J. Anderson y Mark A. Grosenbaugh, basado anillos de vorticidad. El objetivo es entonces diseñar y desarrollar un prototipo, estudiando un movimiento uniaxial del propulsor a través de una señal de entrada encargada de producir movimientos de una membrana impermeable para producir jets sintéticos desplazando fluido a través de una tobera. El actuador que transfiere la excitación estará  ubicado en la nariz del calamar, alimentado por una fuente de tensión externa aislada del fluido.


resonant squid inspired robot
Bibliografía

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R. Hendricks Sturrup. Scilight Physics of Fluids. A method to control and analyze vortex ring collisions in the laminar regime, http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sci/2017/16/10.1063/1.5006639, DOI: 10.1063/1.5006639 (2017).

R. H. Hernández and G. Rodríguez,  Passive scalar transport mediated by laminar vortex rings,  Fluid Dyn. Res. 49 (2), 025514, https://doi.org/10.1088/1873-7005/aa5b59 (2016)

R. H. Hernández and E. Monsalve, Experimental observation of the collision of three vortex rings. Fluid Dyn. Res. 47, 035513, https://doi.org/10.1088/0169-5983/47/3/035513 (2015). 

Van Luc Nguyen, Toai Tuyn Phan,  Viet Dung Duong, and Nam T. P. Le, Turbulent energy cascade associated with viscous reconnection of two vortex rings
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Van Luc Nguyen and Viet Dung Duong Vortex ring-tube reconnection in a viscous fluid Physics of Fluids 33, 015122 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0037930

https://tedkinsman.photoshelter.com/image/I0000eLF4e1eC7uc

Erik J. Anderson y Mark A. Grosenbaugh, 10 de marzo, 2006, Jet flow in steadily swimming adult squid