SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LAS ECUACIONES DEL FLUJO TURBULENTO BASADA EN TRAYECTORIAS CARACTERÍSTICAS, MEDIANTE EL MÉTODO DEL ELEMENTO FINITO. PARTE 1: DOMINIOS MULTI BLOQUES EN CONEXIÓN ESTRUCTURADA / NUMERICAL SOLUTION OF TURBULENT FLOW EQUATIONS BASED ON CHA

Resumen

En este artículo son presentados los resultados obtenidos de la aplicación de un código computacional que permite resolverlas ecuaciones de Navier-Stokes, continuidad y energía que rigen el flujo turbulento de un fluido newtoniano monofásico.El código fue desarrollado completamente por el autor en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Centralde Venezuela y utiliza el método del Elemento Finito. De forma particular fue adoptada una estrategia de soluciónbasada en trayectorias características que fue aplicada a mallas cuyos nodos permanecen fijos en el tiempo. En cadainstante, se aplica una técnica de paso de tiempo fraccionado en la cual las ecuaciones diferenciales son resueltas de formasecuencial siendo garantizada la condición de Courant durante cada paso. Con el propósito de evaluar el desempeño de lametodología computacional desarrollada en una primera etapa, ésta fue aplicada para resolver el campo de flujo turbulentobidimensional incompresible e isotérmico, transversal a un cilindro circular donde el dominio de cálculo fue subdivididoen un número determinado de bloques estructurados. El número de elementos de frontera entre dos bloques en conexiónes el mismo, de forma que la malla resultante es estructurada en su totalidad. La solución obtenida es comparada con datosexperimentales y numéricos apropiados para la geometría estudiada.

ABSTRACT

This paper presents the results obtained by the application of a homemade computational code based on the finite elementmethod for solving the Navier-Stokes, continuity and energy equations derived from the turbulent flow of a single phaseNewtonian fluid. This code was completely developed by the author at the Mechanical Engineering School of “UniversityCentral de Venezuela”. A specific strategy based on characteristic lines was selected and applied to time-fixed grids. Afractional time step was used to solve the partial differential equations in a sequential scheme, showing good dampingperformances, based on the Courant condition applied during the whole calculation. In order to evaluate the performanceof the computational code at its first stage, the bi-dimensional, turbulent, incompressible and isothermal cross flow arounda circular cylinder was solved. The computational domain was divided in a predetermined number of blocks. Since thecommon frontiers between a pair of blocks match each other with the same number of boundary elements, a full structuredgrid of the whole domain was obtained. The solution was compared with experimental and numerical results suitable forthe geometry analyzed.

Keywords: Turbulent flow, Large eddy simulation, Finite element method, Multi-block grids, Characteristic lines.