Sedimentación de una esfera en un cilindro vertical con paredes de radio variable

Resumen

El problema de evaluar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo rígido sumergido en un fluido estancado o en flujo es un problema clásico de la mecánica de fluidos. Tiene implicaciones importantes en muchas aplicaciones de ingeniería que involucran flujos multifásicos e.g., sedimentación, flujo de suspensiones, suspensiones coloidales, etc. En este trabajo se estudia experimental y computacionalmente el movimiento de una esfera sólida que se sedimenta bajo la acción de la gravedad en un fluido Newtoniano confinado dentro de un cilindro vertical cuyo radio cambia periódicamente a lo largo de su longitud. Se estudia entonces la respuesta de la esfera a los cambios súbitos de la geometría del recipiente contenedor, el cual debido a efectos hidrodinámicos de pared, induce aceleraciones y desaceleraciones periódicas de la partícula con consecuencias importantes para la fuerza de Basset. Se presentan observaciones experimentales para el caso en el que los cambios en el radio del cilindro tiene lugar abruptamente y para el caso cuando el cambio es gradual. Se comparan dichos resultados con datos de un cilindro con radio uniforme. Los datos experimentales se obtienen para en un rango de número de Reynolds de 1x10^-4 a 1000, rango en el cual se determinan la velocidad media de sedimentación y el coeficiente de arrastre y se comparan con aproximaciones teóricas y semiempíricas. Igualmente, se comparan las observaciones experimentales con las obtenidas computacionalmente aplicando la ecuación de movimiento propuesta por Maxey y Riley.