Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil, Mención Hidráulica Sanitaria Ambiental / El flujo de gases existente entre el agua y el aire puede llegar a tener una gran importancia en la regulación de ciertos componentes claves en la calidad del agua, o cobrar importancia en ciclos de compuestos biogeoquímicos. La tesis se enfoca en la cuantificación de la transferencia de oxígeno entre el aire y el agua cuando la superficie de ésta se encuentra bajo la presencia de oleaje, limitando así el estudio a gases de baja solubilidad en primera instancia. Esto concentra la investigación en la capa líquida del agua, dado que es donde está el control de la transferencia. Para esto se realiza un estudio experimental perturbando la zona líquida de dos formas: viento sobre la superficie y olas progresivas generadas mecánicamente en un estanque de agua. El objetivo es determinar la variable característica que permita describir el estado de perturbación de la superficie libre y cuantificar la tasa de transferencia de oxígeno asociada. Las experiencias contemplan la medición de los niveles de oxígeno en un estanque de agua, ubicado en un túnel de viento, combinando los forzantes del agua. Se imponen vientos medios entre 0 y 15 m/s mientras que las ondas mecánicamente generadas varían tanto su altura (entre 1 y 4 cm) como su frecuencia (entre 1 y 3 Hz). Para cada una de las experiencias se mide una serie de tiempo de la elevación del agua, la pendiente instantánea y el perfil de viento en 4 puntos del estanque. Para completar el perfil del viento se mide la velocidad superficial del agua grabando trazadores sobre la superficie con una cámara de alta velocidad. La tasa de transferencia de oxígeno al agua se determina considerando mezcla completa en el estanque. La cantidad de oxígeno disuelto en el cuerpo de agua se reduce al comienzo de las experiencias agregando sulfito de sodio. La recopilación de datos muestra que efectivamente se ha simulado un fetch mayor al real con la inclusión de ondas mecánicamente generadas. Uno de los resultados del efecto combinado de los forzantes de la superficie libre en su perturbación es el logro de una mayor uniformidad en los distintos parámetros medidos. Además, en función de la frecuencia y altura de las ondas mecánicas, el fetch puede correlacionarse con una frecuencia adimensional, usualmente utilizada en mediciones mar adentro. La tasa de transferencia de oxígeno a través de la interfaz aire-agua se estudia tanto para el caso de ondas mecánicamente generadas como para cuando se tiene el efecto combinado de éstas con el viento. En ambos casos se adimensionaliza dicha tasa con un valor proporcional a la celeridad de las ondas. Para el primer caso, se encuentran relaciones similares a las obtenidas en otros estudios, siendo la pendiente media de la superficie libre el factor determinante de la tasa de transferencia de oxígeno. Finalmente, para el segundo caso, se construye otros parámetros adimensionales que describan la tasa de transferencia apropiadamente. Estos son el número de Reynolds con la velocidad superficial como escala de velocidad y la elevación media cuadrática como escala de longitud; y una razón de aspecto de la elevación y la longitud de onda la que puede interpretarse como la pendiente media de la onda.

El presente trabajo de título es un estudio experimental acerca del efecto que las ondas superficiales generadas por viento tienen sobre la tasa de transferencia de oxígeno en la interfaz de un cuerpo de agua. De forma específica, la investigación busca caracterizar el comportamiento del oleaje generado dentro de cierto rango de velocidades del viento. La relación entre estas características y la tasa de transferencia de oxígeno observada constituye el principal objeto de estudio de esta investigación. Los experimentos se realizaron en un túnel de viento que contiene un estanque de agua. El diseño de la instalación permite la medición de perfiles verticales de velocidad sobre la superficie libre con el fin de caracterizar la evolución de la capa límite del flujo de viento a lo largo del estanque. Se registró la elevación y pendiente del oleaje utilizando un sensor de capacitancia, así como también procesando digitalmente secuencias de imágenes tomadas por una cámara de alta velocidad. El análisis de estas imágenes fue también cualitativo, permitiendo la observación de distintos estados del oleaje. La velocidad superficial del agua fue obtenida utilizando partículas trazadoras, cuya trayectoria fue registrada a través de una cámara de alta velocidad. Se utilizaron mediciones de la tasa de transferencia de oxígeno obtenidas en un trabajo anterior en la misma instalación experimental. Se realizaron experiencias en un rango de velocidades medias del viento entre 3.5 m/s y 11.3 m/s, las que generaron velocidades friccionales en el rango entre 0.1 m/s a 1.0 m/s. Varios estados del oleaje pudieron ser observados a lo largo del estanque para estas forzantes. Para una velocidad friccional de hasta aproximadamente 0.2 m/s, se obtuvo una superficie rizada con ondulaciones de pequeña escala. El oleaje se desarrolla rápidamente por sobre este valor, observándose un sostenido aumento en su amplitud y pendiente. Se registró un aumento singular en el valor de la pendiente del oleaje al alcanzar una forzante de aproximadamente 0.4 m/s. Éste coincide con la aparición de ondas con frentes de alta pendiente, poblados de ondas capilares parasitarias. La tasa de transferencia de oxígeno mostró un salto del 50% en su valor al alcanzarse este estado. Se observó igualmente un fuerte aumento en la velocidad friccional a partir de este momento. La tasa de transferencia mostró una dispersión considerable al ser parametrizada con la velocidad friccional del viento, aún cuando el ajuste concuerda con trabajos experimentales similares. Al ser comparados resultados de fuentes diversas, la dispersión crece sustancialmente. La pendiente cuadrática media del oleaje mostró un buen ajuste lineal con la tasa de transferencia de oxígeno para todo el rango de velocidades observado. El ajuste conseguido es concordante con una gran cantidad de investigaciones experimentales publicadas.