UAMI14193

Interacci´
on hidrodin´
amica de un cuerpo
esf´
erico con la estela laminar de otro en
un fluido newtoniano con flujo uniforme
TESIS
que para obtener el grado de
DOCTOR EN CIENCIAS
(INGENIER´IA QU´IMICA)
presenta:
Jorge Ram´ırez Mu˜
noz

Asesor: Dr. Alberto Soria L´
opez

Universidad Aut´onoma Metropolitana-Iztapalapa
Depto. de Ingenier´ıa de Procesos e Hidr´aulica
Divisi´on de Ciencias B´asicase Ingenier´ıa

M´exico D.F. Octubre de 2007

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Agradecimientos
Agradezco a Dios por permitirme la vida y darme salud, a mi amada esposa (Alma) por
brindarme todo su apoyo en los momentos dif´ıciles y a mis adorados hijos (Naomi, Jorge y
Alma) por inspirarme a seguir adelante y por su comprensi´on. Agradezco tambi´en a mi querida madre y a mis hermanos quienes siempre me han brindado todosu apoyo y cari˜
no.

Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog´ıa (CONACyT) quien financi´o mis
estudios de doctorado (No. becario: 171336) y a la Universidad Aut´onoma MetropolitanaIztapalapa.

Especial agradecimiento a mi asesor y gran amigo el Dr. Alberto Soria L´opez y a la Dra.
Elizabeth Salinas Barrios por sus ense˜
nanzas y toda la confianza que depositaron en m´ı, a missinodales, a mis compa˜
neros del posgrado y a todo el personal de esta universidad.

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Resumen
La predicci´on del movimiento de un conjunto de part´ıculas (burbujas de gas, gotas o
s´olidas) dispersas en un medio continuo l´ıquido o gaseoso es primordial en mec´anica de fluidos
de sistemas multif´asicos. En un sistema concentrado de part´ıculas, el cual es com´
unmente
encontrado en aplicacionesindustriales, las interacciones entre part´ıculas a trav´es de la fase
continua (interacci´on hidrodin´amica) podr´ıan generar procesos que modifican los patrones de
flujo, por lo que la fuerza hidrodin´amica sobre cada part´ıcula se desv´ıa significativamente de
la experimentada por una part´ıcula aislada.
En este trabajo, presentamos un estudio de la interacci´
on hidrodin´amica a trav´es de laestela laminar generada por un cuerpo esf´erico (cuerpo puntero) sobre un segundo cuerpo
(cuerpo acarreado) del mismo di´ametro, alineados en la direcci´on de un flujo uniforme, newtoniano e incompresible. Partiendo de una formulaci´
on integral del principio de balance de
momentum, se obtienen expresiones integrales exactas para la fuerza hidrodin´amica sobre un
cuerpo inmerso en un volumen decontrol material y un volumen de control fijo.
Si se conoce la estructura local del flujo, los balances integrales de momentum pueden ser
evitados y puede ejecutarse una integraci´
on directa del esfuerzo normal y tangencial sobre la
superficie del cuerpo. Este enfoque provee de un mejor entendimiento de las contribuciones
individuales de las fuerzas inerciales y viscosas en la fuerza hidrodin´amica.En este estudio
se utilizan expresiones diferenciales te´oricas que usan este enfoque y se eval´
uan los efectos
inerciales y viscosos utilizando soluciones anal´ıticas conocidas para la estructura del flujo en
la estela.
Se obtienen modelos para la fuerza de arrastre estacionaria, la fuerza hidrodin´amica y la
velocidad de aproximaci´on del cuerpo acarreado. Tambi´en se identifican las fuerzasm´as significativas comparando las predicciones de estos modelos con datos experimentales y num´ericos
de la literatura.

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Abstract
The motion forecasting of particle swarms (bubbles, drops or solid grains) immersed in a
continuous fluid is essential in multiphase fluid mechanics. In particle concentrated systems, as
commonly found in industrial applications, particle interactions through thecontinuous phase
(hydrodynamic interactions) can be the carriers of processes modifying the flow patterns,
since the hydrodynamic force on a particle in the swarm is meaningfully deviated from the
one exerted on an isolated particle.
A study of the hydrodynamic interaction produced by the presence of a spherical body on
a second identical body (the trailing body) through the laminar wake...