| Sumario: | Un escalar pasivo es un contaminante difusivo presente en un fluido con ungrado de concentración tan pequeño que no produce un efecto dinámico en el campode velocidad. Aerosoles, contaminantes en pequeñas concentraciones en la atmósferay los océanos, elementos químicos en el interior de las estrellas, o bajo ciertas aproximacionespequeñas fluctuaciones en la temperatura de un fluido son ejemplos deescalares pasivos. La correcta comprensión de la dinámica de estas magnitudes esrelevante para muchas aplicaciones, pero también tiene implicancias importantes enel entendimiento general de la turbulencia. Por este motivo, muchos estudios deescalares pasivos se concentraron en el caso de flujos turbulentos isótropos y homogéneos, aunque en flujos geofísicos, astrofísicos e industriales muchas veces lapresencia de fuerzas externas introduce anisotropías en el campo de velocidad que nopueden despreciarse. En esta tesis se presenta un estudio detallado de la advección,el mezclado y la difusión de escalares pasivos en flujos turbulentos rotantes, con y sinhelicidad neta. La rotación está presente en muchos flujos en la atmósfera, mientrasque se cree que la helicidad (una magnitud conservada por un fluido ideal, asociadaa la ruptura de simetría de reflexión en el flujo) es relevante en algunos fenómenoscomo las tormentas rotantes convectivas. Para caracterizar la advección de los escalarespasivos en el campo de velocidades turbulento, se estudian sus leyes de escalay el desarrollo de anisotropías en el espacio espectral, y en el espacio real usandouna descomposición axisimétrica para las funciones de estructura de la velocidad y elescalar pasivo. En el caso rotante no helicoidal, confirmamos que el escalar pasivo esmás anisótropo que el campo de velocidad y observamos que su espectro de potenciassigue una ley espectral consistente con un espectro V (k┴) ~ k┴−3/2. En el casohelicoidal, observamos que las leyes de escala son consistentes con un espectro masempinado para la energía, y menos empinado para el espectro de varianza escalar. Ambos casos se explican con argumentos fenomenológicos que consideran el efectode la rotación y de la helicidad. La intermitencia del escalar pasivo y del campo de velocidad se caracterizausando exponentes de escala y funciones de densidad de probabilidad de los incrementosde la velocidad y el escalar pasivo. En presencia de rotación, mostramos quelos exponentes de escala pueden ser correctamente predichos usando el modelo de Kraichnan en dos dimensiones. Esta reducción en la dimensionalidad efectiva delproblema está asociada a la fuerte anisotropía en la distribución espacial del escalarpasivo. Finalmente, estudiamos y medimos en simulaciones numéricas la difusiónturbulenta de escalares pasivos en flujos con y sin rotación y con y sin helicidad neta,y calculamos coeficientes efectivos de transporte usando las leyes de difusión de Fick. Para los flujos rotantes, los coeficientes se calculan en las direcciones paralela y perpendicularal eje de rotación para tener en cuenta la anisotropía en el mezclado ytransporte turbulento. Se varían también los números de Rossby y de Schmidt paracuantificar su efecto sobre la difusión efectiva. Para flujos rotantes sin helicidad neta,encontramos que la rotación reduce la difusividad del escalar en el plano perpendicularal eje de rotación, pero no modifica la difusión en la dirección paralela. Enpresencia de helicidad y ausencia de rotación, los coeficientes de transporte turbulentoaumentan ligeramente, en buen acuerdo con resultados previos. Finalmente,en el caso rotante helicoidal, encontramos que la difusión perpendicular disminuyeaún mas que en el caso rotante sin helicidad, mientras que la difusión paralela se velevemente incrementada respecto al mismo caso.
|
|---|