Entrainment Effects in Turbulent Boundary Layers

Esta tesis estudia el comportamiento de la región exterior de una capa límite turbulenta sin gradientes de presiones. Se ponen a prueba dos teorías relativamente bien establecidas. La teoría de semejanza para la pared supone que en el caso de haber una pared rugosa, el fluido sólo percibe el cambio en la fricción superficial que causa, y otros efectos secundarios quedarán confinados a una zona pegada a la pared. El consenso actual es que dicha teoría es aproximadamente cierta. En el extremo exterior de la capa límite existe una región producida por la interacción entre las estructuras turbulentas y el flujo irrotacional de la corriente libre llamada interfaz turbulenta/no turbulenta. La mayoría de los resultados al respecto sugieren la presencia de fuerzas de cortadura ligeramente más intensa, lo que la hace distinta al resto del flujo turbulento. Las propiedades de esa región probablemente cambien si la velocidad de crecimiento de la capa límite aumenta, algo que puede conseguirse aumentando la fricción en la pared. La rugosidad y la ingestión de masa están entonces relacionadas, y el comportamiento local de la interfaz turbulenta/no turbulenta puede explicar el motivo por el que las capas límite sobre paredes rugosas no se comportan como en el caso de tener paredes lisas precisamente en la zona exterior. Para estudiar las capas límite a números de Reynolds lo suficientemente elevados, se ha desarrollado un nuevo código de alta resolución para la simulación numérica directa de capas límite turbulentas sin gradiente de presión. Dicho código es capaz de simular capas límite en un intervalo de números de Reynolds entre ReT = 100 — 2000 manteniendo una buena escalabilidad hasta los dos millones de hilos en superordenadores de tipo Blue Gene/Q. Se ha guardado especial atención a la generación de condiciones de contorno a la entrada correctas. Los resultados obtenidos están en concordancia con los resultados previos, tanto en el caso de simulaciones como de experimentos. La interfaz turbulenta/no turbulenta de una capa límite se ha analizado usando un valor umbral del módulo de la vorticidad. Dicho umbral se considera un parámetro para analizar cada superficie obtenida de un contorno del módulo de la vorticidad. Se han encontrado dos regímenes distintos en función del umbral escogido con propiedades opuestas, separados por una transición topológica gradual. Las características geométricas de la zona escalan con o99 cuando u^/isdgg es la unidad de vorticidad. Las propiedades del íluido relativas a la posición del contorno de vorticidad han sido analizados para una serie de umbrales utilizando el campo de distancias esféricas, que puede obtenerse con independencia de la complejidad de la superficie de referencia. Las propiedades del fluido a una distancia dada del inerfaz también dependen del umbral de vorticidad, pero tienen características parecidas con independencia del número de Reynolds. La interacción entre la turbulencia y el flujo no turbulento se restringe a una zona muy fina con un espesor del orden de la escala de Kolmogorov local. Hacia el interior del flujo turbulento las propiedades son indistinguibles del resto de la capa límite. Se ha simulado una capa límite sin gradiente de presiones con una fuerza volumétrica cerca de la pared. La el forzado ha sido diseñado para aumentar la fricción en la pared sin introducir ningún efecto geométrico obvio. La simulación consta de dos dominios, un primer dominio más pequeño y a baja resolución que se encarga de generar condiciones de contorno correctas, y un segundo dominio mayor y a alta resolución donde se aplica el forzado. El estudio de los perfiles y los coeficientes de autocorrelación sugieren que los dos casos, el liso y el forzado, no colapsan más allá de la capa logarítmica por la complejidad geométrica de la zona intermitente, y por el hecho que la distancia a la pared no es una longitud característica. Los efectos causados por la geometría de la zona intermitente pueden evitarse utilizando el interfaz como referencia, y la distancia esférica para el análisis de sus propiedades. Las propiedades condicionadas del flujo escalan con 5QQ y u/uT, las dos únicas escalas contenidas en el modelo de semejanza de pared de Townsend, consistente con estos resultados. ABSTRACT This thesis studies the characteristics of the outer region of zero-pressure-gradient turbulent boundary layers at moderate Reynolds numbers. Two relatively established theories are put to test. The wall similarity theory states that with the presence of roughness, turbulent motion is mostly affected by the additional drag caused by the roughness, and that other secondary effects are restricted to a region very close to the wall. The consensus is that this theory is valid, but only as a first approximation. At the edge of the boundary layer there is a thin layer caused by the interaction between the turbulent eddies and the irroational fluid of the free stream, called turbulent/non-turbulent interface. The bulk of results about this layer suggest the presence of some localized shear, with properties that make it distinguishable from the rest of the turbulent flow. The properties of the interface are likely to change if the rate of spread of the turbulent boundary layer is amplified, an effect that is usually achieved by increasing the drag. Roughness and entrainment are therefore linked, and the local features of the turbulent/non-turbulent interface may explain the reason why rough-wall boundary layers deviate from the wall similarity theory precisely far from the wall. To study boundary layers at a higher Reynolds number, a new high-resolution code for the direct numerical simulation of a zero pressure gradient turbulent boundary layers over a flat plate has been developed. This code is able to simulate a wide range of Reynolds numbers from ReT =100 to 2000 while showing a linear weak scaling up to around two million threads in the BG/Q architecture. Special attention has been paid to the generation of proper inflow boundary conditions. The results are in good agreement with existing numerical and experimental data sets. The turbulent/non-turbulent interface of a boundary layer is analyzed by thresholding the vorticity magnitude field. The value of the threshold is considered a parameter in the analysis of the surfaces obtained from isocontours of the vorticity magnitude. Two different regimes for the surface can be distinguished depending on the threshold, with a gradual topological transition across which its geometrical properties change significantly. The width of the transition scales well with oQg when u^/udgg is used as a unit of vorticity. The properties of the flow relative to the position of the vorticity magnitude isocontour are analyzed within the same range of thresholds, using the ball distance field, which can be obtained regardless of the size of the domain and complexity of the interface. The properties of the flow at a given distance to the interface also depend on the threshold, but they are similar regardless of the Reynolds number. The interaction between the turbulent and the non-turbulent flow occurs in a thin layer with a thickness that scales with the Kolmogorov length. Deeper into the turbulent side, the properties are undistinguishable from the rest of the turbulent flow. A zero-pressure-gradient turbulent boundary layer with a volumetric near-wall forcing has been simulated. The forcing has been designed to increase the wall friction without introducing any obvious geometrical effect. The actual simulation is split in two domains, a smaller one in charge of the generation of correct inflow boundary conditions, and a second and larger one where the forcing is applied. The study of the one-point and twopoint statistics suggest that the forced and the smooth cases do not collapse beyond the logarithmic layer may be caused by the geometrical complexity of the intermittent region, and by the fact that the scaling with the wall-normal coordinate is no longer present. The geometrical effects can be avoided using the turbulent/non-turbulent interface as a reference frame, and the minimum distance respect to it. The conditional analysis of the vorticity field with the alternative reference frame recovers the scaling with 5QQ and v¡uT already present in the logarithmic layer, the only two length-scales allowed if Townsend’s wall similarity hypothesis is valid.

Multi-fluid Eulerian model of an electrospray in a host gas.

An Eulerian multifluid model is used to describe the evolution of an electrospray plume and the flow induced in the surrounding gas by the drag of the electrically charged spray droplets in the space between an injection electrode containing the electrospray source and a collector electrode. The spray is driven by the voltage applied between the two electrodes. Numerical computations and order-of-magnitude estimates for a quiescent gas show that the droplets begin to fly back toward the injection electrode at a certain critical value of the flux of droplets in the spray, which depends very much on the electrical conditions at the injection electrode. As the flux is increased toward its critical value, the electric field induced by the charge of the droplets partially balances the field due to the applied voltage in the vicinity of the injection electrode, leading to a spray that rapidly broadens at a distance from its origin of the order of the stopping distance at which the droplets lose their initial momentum and the effect of their inertia becomes negligible. The axial component of the electric field first changes sign in this region, causing the fly back. The flow induced in the gas significantly changes this picture in the conditions of typical experiments. A gas plume is induced by the drag of the droplets whose entrainment makes the radius of the spray away from the injection electrode smaller than in a quiescent gas, and convects the droplets across the region of negative axial electric field that appears around the origin of the spray when the flux of droplets is increased. This suppresses fly back and allows much higher fluxes to be reached than are possible in a quiescent gas. The limit of large droplet-to-gas mass ratio is discussed. Migration of satellite droplets to the shroud of the spray is reproduced by the Eulerian model, but this process is also affected by the motion of the gas. The gas flow preferentially pushes satellite droplets from the shroud to the core of the spray when the effect of the inertia of the droplets becomes negligible, and thus opposes the well-established electrostatic/inertial mechanism of segregation and may end up concentrating satellite droplets in an intermediate radial region of the spray.

Bases para un diseño metodológico de estimulación binaural como terapia acústica en neurología

La medicina y la ingeniería del siglo XXI han dado como fruto numerosos avances para la sociedad aunque en la mayoría de los casos los tratamientos suelen ser costosos e invasivos. La educación que recibe la sociedad sobre la salud es escasa, ya que sólo vamos al médico cuando realmente estamos enfermos. Este trabajo presenta nuestra apuesta por las terapias complementarias, para el desarrollo de una metodología terapéutica no invasiva y con un costo muy bajo. La finalidad de esta Tesis, que se enmarca en un equipo multidisciplinar, fruto de la estrecha colaboración en el que participan psicopedagogos, ingenieros y médicos, es perfilar una metodología que luego pueda ser aplicable a patologías neurológicas. Aquí, dejamos sentadas las bases. Faltarán nuevos investigadores que continúen este camino para tener una base de datos lo suficientemente extensa de registros de sujetos que hayan sido sometidos a terapia binaural, para poder sacar unas conclusiones sólidas. La aportación de esta Tesis deja cubierta la aplicación, selección, procesado de señal y desarrollo de algoritmos, test cognitivos indicados para el caso específico que nos ocupa, cálculo de incertidumbre del sistema utilizado para la aplicación del estímulo y desarrollo de un test psicoacústico específico. EL empleo del sonido en medicina como es la musicoterapia o sonoterapia ha experimentado una gran difusión en los últimos años, más de 100.000 nuevas citas bibliográficas han aparecido con respecto al año anterior. Sin embargo, son escasísimas las que hacen referencia a las características físico acústicas del sonido empleado, tan sólo hemos encontrado una par de ellas que correlacionan las características físicas del sonido con el tipo de respuesta terapéutica. No encontramos citas bibliográficas específicas que planteen un modelo experimental científico capaz de reproducir las mismas respuestas ante los mismos parámetros y estímulos. En esta Tesis proponemos el uso de estimulación sonora binaural, que consiste en la utilización de dos tonos puros idénticos pero ligeramente diferentes en frecuencia que se presentan de manera separada cada uno en un oído, como consecuencia, la persona que recibe la estimulación percibe un tercer tono, llamado tono binaural, formado por la diferencia de frecuencia de ambos variando su amplitud. Existen estudios que sugieren que dichas frecuencias binaurales pueden modificar los patrones eléctricos de la actividad cerebral y los niveles de arousal, conociéndose en la literatura bajo el nombre de “entrainment”. Tras la revisión bibliográfica del estado del arte, podemos concluir que es necesario el desarrollo de estudios doble ciego bien diseñados, con el objetivo de establecer una base sólida sobre los efectos de este tipo de estimulación, ya que la mayoría de los beneficios documentados se refieren a muestras muy pequeñas y con poco rigor científico, siendo los resultados positivos obtenidos debidos al efecto placebo. La tecnología binaural es barata siendo cualquier avance en esta dirección de interés público. El objetivo concreto de la investigación es estudiar el potencial de las ondas binaurales en un área en particular: tareas que requieren atención y concentración. Se busca obtener cualquier cambio en las ondas cerebrales que se puedan correlar con la mejoras. A la vista de los resultados de estas investigaciones se intentará aplicar esta metodología en neuropatologías que presenten alguna deficiencia en el área de atención como es el Trastorno de espectro Autista. En esta Tesis presentamos los resultados de dos estudios independientes, el primero para sentar las bases del método (tiempos, diseño de estimulaciones, procesado) en una muestra de 78 adultos sanos, el segundo a partir de los resultados obtenidos en el primero, afinando la metodología y para un grupo de 20 niños entre 8 y 12 años, los resultados del segundo estudio sirven para justificar su aplicación en niños con TEA que presenten déficit de atención. ABSTRACT Medicine and engineering in the 21st century have resulted in advances for society but in most cases the treatments are often costly and invasive. The health education society receive is scarce, since only go to the doctor when we are really sick. With this work I present my commitment to complementary therapies, my little grain of sand in the development of a noninvasive therapeutic approach and very low cost, well and can be used in a preventive manner resulting in a society with less sick. The purpose of this thesis is to outline a methodology that can then be applied to neurological diseases, here we lay the groundwork. New researchers are needed to continue this path for a sufficiently extensive records database of subjects who have undergone binaural therapy, and so to draw firm conclusions. The contribution of this thesis includes: the application, selection, signal processing and algorithm development, indicated cognitive tests for the specific case at hand, calculation of system uncertainty of the system and development of a specific psychoacoustic test. The use of sound in medicine, such as music therapy or sound therapy has experienced a great diffusion in recent years, more than 100,000 new citations have appeared over the previous year but very few are those referring to acoustic physical characteristics of sound employee, we have only found a couple of them that physical sound characteristics are correlated with the therapeutic response. We found no specific citations posing a scientific experimental model capable of reproducing the same answers to the same parameters and stimuli. In this thesis we propose the use of binaural sound stimulation which involves the use of two identical but slightly different in frequency pure tones presented separately each in one ear, as a result the subject perceives a third tone, called binaural tone, formed by the difference in frequency with amplitude variations Studies suggest that these binaural frequencies can modify the electrical patterns of brain activity and arousal levels, being known in the literature under the name of “entrainment”. After the literature review of the state of the art, we conclude, it is necessary to develop well-designed double-blind studies, in order to establish a solid foundation on the effects of such stimulation, since most of the documented benefits relate to very small samples and unscientific may be obtained positive results due to the placebo effect. The binaural technology is cheap being any progress in this direction in the public interest. The specific objective of the research is to study the potential of binaural waves in a particular area: tasks requiring attention and concentration also we want to get any change in brain waves that can correlate with improvements. In view of the results of this research we seek to apply this methodology in neuropathology presenting any deficiency in the area of attention such as Autism Spectrum Disorder. In this thesis we present the results of two independent studies, the first to lay the foundation of the method (times, stimulation design, processing) in a sample of 78 healthy adults, the second from the results obtained in the first, refine the methodology for a group of 20 children between 8 and 12 years, the results of the second study used to justify its use in children with ASD that present attention deficit.

Numerical issues in Lagrangian tracking and topological evolution of fluid particles in wallbounded turbulent flows

The determination of the local Lagrangian evolution of the flow topology in wall-bounded turbulence, and of the Lagrangian evolution associated with entrainment across the turbulent / non-turbulent interface into a turbulent boundary layer, require accurate tracking of a fluid particle and its local velocity gradients. This paper addresses the implementation of fluid-particle tracking in both a turbulent boundary layer direct numerical simulation and in a fully developed channel flow simulation. Determination of the sub-grid particle velocity is performed using both cubic B-spline, four-point Hermite spline and higher-order Hermite spline interpolation. Both wall-bounded flows show similar oscillations in the Lagrangian tracers of both velocity and velocity gradients, corresponding to the movement of particles across the boundaries of computational cells. While these oscillation in the particle velocity are relatively small and have negligible effect on the particle trajectories for time-steps of the order of CFL = 0.1, they appear to be the cause of significant oscillations in the evolution of the invariants of the velocity gradient tensor.