Magíster en Ciencias, Mención Física / En este trabajo se presentará una discusión teórica de ciertos procesos mecánico cuánticos que influyen en la dinámica colectiva de momentos magnéticos localizados. En el problema en particular que estudiamos estos momentos están distribuidos en el perímetro de un anillo. De este modo el sistema exhibe la libertad de manifestar dos posibles vorticidades. Por lo tanto focalizaremos nuestros esfuerzos en determinar la amplitud de reversión mediante efecto túnel de la vorticidad de este anillo. Presentaremos un estudio analítico que nos proporciona una comprensión acerca de dichos procesos de reversión. Este estudio esta basado en la aproximación semiclásica para las integrales de camino que determinan estos procesos. El método usado es conocido como la aproximación del gas instantones. Comenzamos la discusión estudiando la reversión de un momento magnético aislado e ilustramos el fenómeno de congelamiento del efecto túnel, que consiste en la cancelación de la amplitud de efecto túnel para ciertos valores de un campo magnético externo. A continuación nos enfocamos en la dinámica de un arreglo de spines en un anillo con acoplamiento ferromagnético. Este tipo de intercambio energético nos provee de un efecto de reversión caracterizado por un comportamiento coherente de todos los espines rotando colectivamente. De este modo es posible caracterizar la dinámica global mediante un momento magnético efectivo dependiente del numero de sitios considerados en nuestro anillo. En conclusión, mostramos que la amplitud de probabilidad de reversión de la vorticidad como función del campo externo manifiesta oscilaciones que corresponden al congelamiento del efecto túnel. El formalismo presentado nos permite identificar el origen de dicho congelamiento en la interferencia destructiva de dos caminos de reversión de la vorticidad, uno a través del interior y otro por el exterior del anillo.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El presente trabajo de tesis tiene por objetivo estudiar la generación y posterior colisión de anillos de vorticidad idénticos, en una configuración simétrica de 60°y 120° para tres valores del número de Reynolds. Para esto, se realizan simulaciones computacionales en el sofware Fluent de ANSYS 12.0, en régimen laminar y sin transferencia de calor. Los anillos son generados simulando un mecanismo pistón en una cámara hexagonal donde se impone una función forzante para tres y seis de sus caras dependiendo de la configuración elegida. A partir de tres mallas discretas, que difieren en el número de elementos y en el tipo de estructura del mallado, se lleva a cabo una prueba de malla, donde se evalúa la precisión de los resultados con respecto al tamaño de malla y se elige la más adecuada. Los resultados fueron validados con datos experimentales obtenidos en el laboratorio LEAF-NL. Una vez generados los anillos, se estudian sus parámetros característicos cuando se desplazan en vuelo libre hacia el centro de la cavidad. Cuando se produce la colisión se estudian las propiedades fluido dinámicas en el centro del volumen de control y se caracterizan las estructuras secundarias generadas. La energía cinética se estudia de forma continua para todo el proceso, para identificar los cambios observados en la colisión. Para ambas configuraciones el número de Reynolds incide sobre parámetros cinemáticos del proceso como la velocidad de los anillos antes de la colisión y la velocidad de las estructuras formadas posterior a ésta. En tanto que el diámetro del generador incluye sobre parámetros geométricos como el diámetro de los anillos antes de la colisión y el tamaño de las estructuras formadas posterior a esta, que también está determinado por el número de anillos participantes. Durante la colisión se observa un fuerte aumento de presión en el centro del volumen de control que disminuye a medida que las estructuras generadas se alejan. En cuanto a la velocidad se observa que tiende a cero en torno al centro especialmente para la configuración de seis anillos en colisión. La energía cinética muestra variaciones asociadas a la disipación por esfuerzos viscosos en el movimiento de los anillos, y a la interacción de estos durante la colisión. La dinámica de la colisión de anillos de vorticidad aborda interesantes propiedades, como la reconexión de tubos de vorticidad que da paso a la formación de nuevas estructuras y la posibilidad de generar puntos de estancamiento en las zonas donde se produce la colisión de los anillos.

Los anillos de vorticidad son estructuras compactas que se deben a la rotación de fluido en torno a un eje circular y que se desplazan sobre su eje axial con una velocidad inducida por el propio giro del fluido. El estudio de anillos de vorticidad ha sido ampliamente documentado debido a sus potenciales aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería, tales como, generación de sonido o procesos de transporte y mezcla. La forma más utilizada experimentalmente de generar un anillo de vorticidad es mediante el desplazamiento de una columna de fluido a través de un orificio en una placa plana. El principal parámetro que caracteriza un anillo de vorticidad es el número de Reynolds, definido como Re = Ua D0/, donde Ua es la velocidad de advección del anillo, D0 es el diámetro del orificio de salida y  es la viscosidad cinemática del fluido. Esquemáticamente y para efectos de resultados, los anillos de vorticidad pueden ser representados por un elipsoide oblato al cual se le llama burbuja y por un núcleo que toma la forma de un toro de revolución donde se concentra la vorticidad del fenómeno. El presente trabajo cuenta con el apoyo del proyecto FONDECYT 1085020 que estudia el comportamiento de escalares pasivos en campos de velocidad generados por diversas estructuras. En este trabajo se estudiaron los mecanismos de transporte y difusión de una sustancia escalar pasiva producto del campo de velocidad generado por anillos de vorticidad. Utilizando el software CFD Fluent v6.3 se resolvieron numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes en tres dimensiones mediante simulación numérica directa (DNS) y la ecuación de transporte de la sustancia escalar. Los resultados de la generación de anillos 3D fueron validados con información experimental proporcionada por el laboratorio LEAF-NL y con resultados teóricos conocidos. La validación experimental determinó que los anillos generados numéricamente difieren en menos de un 10% de los anillos estudiados experimentalmente. Se verificó que, para la geometría escogida, la dinámica de un anillo de vorticidad se relaciona directamente con los parámetros de generación encontrándose esas relaciones. Al hacer pasar un anillo de vorticidad por una distribución uniforme de escalar a modo de una pared delgada se verificó que la cantidad de sustancia retenida por el anillo es directamente proporcional al espesor de la pared y al número de Reynolds del anillo. En el caso en que la sustancia escalar es introducida en el anillo durante la generación, se establece que el transporte de la sustancia dentro de la burbuja y del núcleo del anillo decaen según una ley lineal en la mayoría de los casos, sin embargo para distancias cortas, un anillo puede transportar entre un 40 y un 70% de la masa inyectada justo durante su formación.

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Un anillo de vorticidad es una región de fluido con forma toroidal, dentro de la cual existe vorticidad cuyo vector es tangente al círculo mayor del toro. El anillo, debido al impulso físico que lo produce, posee energía cinética que le permite auto-desplazarse en el espacio en la dirección resultante del producto cruz entre el vector radial del círculo mayor y el vector de vorticidad (tangente). El estudio de los anillos de vorticidad ha sido ampliamente documentado, realizándose investigaciones de estabilidad, transporte y mezcla. El presente trabajo cuenta con el apoyo del proyecto FONDECYT 1085020, el cual estudia el comportamiento de escalares pasivos en campos de velocidad generados por diversas estructuras. La serie de investigaciones desarrolladas en este marco, han abierto nuevas líneas de investigación, dentro de las cuales esta tesis nació del desafío de comprobar experimentalmente, la concentración de turbulencia en una región localizada del espacio, a partir de la interacción de estructuras laminares de bajo costo energético de generación. En esta investigación, se realizaron diversos montajes experimentales tendientes a estudiar la colisión de tres anillos de vorticidad en una configuración de 120° entre sus vectores de velocidad autoinducida. El primero de ellos consta de un sistema de generación triple tipo orificio, donde el campo de velocidad es medido con anemometría de hilo caliente. En una primera etapa se caracterizó un anillo individual, y luego se obtuvo el campo de velocidad durante toda la colisión a través de un barrido en el espacio. Sobre este mismo montaje, se inyectó humo como trazador en cada generador, obteniéndose imágenes CCD de un plano láser proyectado en distintos niveles de la colisión. El segundo montaje constó de un sistema de visualización tipo Shadowgraph, a través del cual se observó el proceso de transporte y mezcla de sustancias escalares, en la colisión de tres anillos de vorticidad en agua. Los experimentos realizados permitieron describir físicamente el fenómeno, gracias a los datos y observaciones cualitativas obtenidas. El campo de velocidad medido con anemometría de hilo caliente, indicó que los anillos de vorticidad tienen una trayectoria estable antes de tener contacto entre sí. Durante y posterior a la colisión, el campo de velocidad tiene pequeñas variaciones reflejadas en la dispersión de las zonas de mayor velocidad. La interacción de dipolos de vorticidad entre los anillos adyacentes, produce eyecciones de fluido observables en el aumento localizado de la velocidad y en la visualización CCD a través de humo. Por otra parte, las series temporales de velocidad permiten obtener un análisis de la densidad espectral de potencia, la cual fue calculada en distintos puntos de interés y para diferentes números de Reynolds. Las curvas de densidad espectral de potencia se desplazan hacia zonas de mayor frecuencia a medida que aumenta el número de Reynolds de los anillos colisionantes, mientras que la forma de estas curvas puede ser explicada a través de las series temporales de velocidad. Las imágenes obtenidas del sistema Shadowgraph permitieron observar con claridad el borde, el núcleo de vórtice y las líneas de flujo de cada anillo de vorticidad. Durante la colisión se observaron los acoplamientos de los dipolos de vorticidad y las eyecciones de fluido que provocan. Las zonas superior e inferior de los anillos interaccionan generando reconexión de los tubos de vorticidad. Producto de la reconexión, son generados nuevos anillos simétricos en dirección vertical, los cuales pudieron ser observados con mayor claridad al repetir el experimento con una sustancia escalar colorante. En síntesis, el trabajo describió con detalle el comportamiento de anillos de vorticidad bajo esta estructura de colisión, encontrando una interesante evolución espacial de la vorticidad y relaciones matemáticas coherentes en el ámbito energético. Para el futuro, surgen nuevas interrogantes como la colisión de más anillos de vorticidad en nuevas configuraciones, y la relación entre la trayectoria de un anillo y su gradiente de densidad con respecto al medio.

Several series of experiments in stratified and in rotating/stratified decaying flows after a grid is used to stir the two layer stable fluid brine and fresh water set up. We measure by comparing the gained potential energy with the available kinetic energy AKE, the relative efficiency of mixing. The experiments in stratified rotating flows with grid driven turbulence were both periodic (quasi stationary) and non-monotonic (decaying) forcing. This thesis compares experimental, numerical and field observations on the structure and Topology of the Stratified Rotating Flows as well as their decay, the horizontal spectra changes appreciable with slopes from 1.1 to 5, but vorticity and local circulation, and also the initial topology and forcing of the flow. A detailed study of the vorticity decay and vortex and energy structure has been performed, the new results show that neither stratified nor rotating flows exhibit pure 2D structures. The work parameterizes the role of the Richardson number and the Rossby number, both in the experiments and in the ocean visualizations is very important. The conditions of vortex decay show the effects of the internal waves in the decay turbulent conditions both for stratified and rotating flows. The parameter space (Re,Ri,Ro) has been used to interpret many previously disconnected explanations of the 2D-3D turbulent behaviour. The comparison of numerical simulations with experiments has allowed implementing new theoretical aspects of the interaction between waves and vortices finding the surprising and very interesting result that these interactions depend on the level of enstrophy. This also leads to new ways of using multifractal analysis ad intermittency in ocean environmental observations. A large collection of SAR images obtained from three European coastal areas were used for routine satellite analysis by SAR and other sensors, which seem very important to build seasonal databases of the dynamic conditions of ocean mixing. The topology of the basic flow is very important and in particular the topology of the vortices and their decay which depends on ambient factors such as wave activity, wind and currents. We find more realistic estimates of the spatial/temporal non-homogeneities (and intermittency obtained as spatial correlations of the turbulent dissipation); these values are used to parameterize the sea surface turbulence, as well as a laboratory experiments at a variety of scales. Using multi-fractal geometry as well, we can establish now a theoretical pattern for the turbulence behaviour that is reflected in the different descriptors. Vorticity evolution is smoother and different than that of scalar or tracer density. The correlation between the local Ri and the fractal dimension detected from energy or entropy is good. Using multi-fractal geometry we can also establish certain regions of higher local activity used to establish the geometry of the turbulence mixing that needs to be studied in detail when interpreting the complex balance between the direct 3D Kolmogorov type cascade and the Inverse 2D Kraichnan type cascade.

S'han estudiat diverses ciclogènesis mediterrànies mitjançant el model atmosfèric MM5,la inversió de vorticitat potencial per peces i la tècnica de la separació de factors. Elsresultats mostren com a agents per a una ciclogènesi intensa: anomalia a nivells alts;confrontació de masses d'aire càlides i fredes a nivells baixos, desenvolupament baroclí;processos diabàtics; el mar; efectes topogràfics; baixa tèrmica; fluxes de calor superficials i les condicions atmosfèriques de l'entorn.S'ha verificat el comportament quasi-tropical dels medicans, com a mescla de la interaciómar-aire i l'existència d'una anomalia de nivells alts, amb una evolució diferent a la delshuracans. S'ha observat l'impacte en les simulacions de medicanes d'assimilar informacióde satèl·lit i de descàrregues elèctriques. S'han desenvolupat millores o nous usos d'algunestècniques emprades: quantificació energètica de la modificació derivada de la inversióde vorticitat potencial, l'ús lagrangià de la separació de factors, modificacions a parts delMM5.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és millorar l'actual capacitat de predicció de fenòmens meteorològics de pluja intensa potencialment perillosos a la Mediterrània occidental. Es desenvolupen i verifiquen tres sistemes de predicció per conjunts (SPC) que tenen en compte incerteses presents en els models numèrics i en les condicions inicials. Per generar els SPC s'utilitza la connexió entre les estructures de vorticitat potencial (VP) i els ciclons, a més de diferents esquemes de parametrització física. Es mostra que els SPC proporcionen una predicció més hàbil que la determinista. Els SPC generats pertorbant les condicions inicials han obtingut millor puntuació en verificacions estadístiques. Els resultats d'aquesta tesi mostren la utilitat i la idoneïtat dels mètodes de predicció basats en la pertorbació d'estructures de VP de nivells alts, precursors de les situacions ciclòniques. Els resultats i estratègies presentats pretenen ser un punt de partida per a futurs estudis que facin ús d'aquests mètodes. / The main goal of this thesis is to improve the current prediction skill of potentially hazardous heavy precipitation weather events in the western Mediterranean region. We develop and test three different ensemble prediction systems (EPSs) that account for uncertainties present in both the numerical models and the initial conditions. To generate the EPSs we take advantage of the connection between potential vorticity (PV) structures and cyclones, and use different physical parameterization schemes. We obtain an improvement in forecast skill when using an EPS compared to a determinist forecast. The EPSs generated perturbing the initial conditions perform better in the statistical verification scores. The results of this Thesis show the utility and suitability of forecasting methods based on perturbing the upper-level precursor PV structures present in cyclonic situations. The results and strategies here discussed aim to be a basis for future studies making use of these methods.

Ce travail porte sur les processus hydrodynamiques en zone littorale.Deux principaux thèmes sont abordés. Le premier concerne la couchelimite oscillante provoquée par l’interaction entre les vagues et le fondà l’approche des côtes. Le second traite de l’évolution de la circulationet la vorticité induite par la bathymétrie et/ou le forçage des vagues.Un modèle de couche limite turbulente a été élaboré et utilisé pourobserver l’évolution de la couche limite oscillante sous l’effet de vaguesnon-linéaires, en s’appuyant sur une modélisation physique menéedans le canal à houle du LEGI. Les profils expérimentaux de vitesseet positions du fond fixe instantanés permettent de définir l’évolutiondes non-linéarités induites par les vagues au sein de la couche limite.Le modèle numérique couplé à une modélisation du mouvement dulit mobile est capable de reproduire l’évolution de ces non-linéarités,et explique que la diffusion verticale observée expérimentalementest principalement due au mouvement vertical du lit causé induitpar les vagues. Pour l’étude de la circulation et de la vorticité enzone côtière, un modèle numérique 2D moyenné sur la verticale detype Shallow Water est validé avec les données d’une expériencemenée dans le basin à vagues du Laboratoire Hydraulique de France(ARTELIA). La formation de courants sagittaux a été forcée parun front de vagues avec un déficit d’énergie au centre du bassin. Lemodèle numérique est validé par des mesures de surface libre, devitesse, ainsi que de circulation et vorticité. En utilisant ensuitel’équation de vorticité potentielle comme outil de diagnostic, avec unforçage monochromatique on prédit un équilibre entre la générationde vorticité et son advection par l’écoulement moyen. / This work is about the hydrodynamic processes in the nearshorezone. They are of great importance to estimate the overall dynamicsof the coastal zone. This thesis is divided into two main parts; thefirst one investigates the coastal bottom boundary layer induced bythe interaction of the waves and the bottom when approaching thecoast; the second one is about the evolution of the mean circulationand vorticity induced by an inhomogeneity in the bathymetry orthe wave forcing. A turbulent boundary layer numerical model hasbeen developed and used to simulate the evolution of the oscillatingboundary layers under non-linear waves, of a flume experiment at theLaboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) inGrenoble, France. The experimental instantaneous velocity profilesand still bed positions, allow defining the non-linear velocity distributionsinduced by the waves within the boundary layer. The numericalmodel coupled with a ad-hoc modeling of the mobile bed motionis able to reproduce the vertical distribution of the non-linearities,and also indicates that the vertical diffusion observed experimentallyis mainly caused by the mobile bed motion induced by the passingwaves. A 2D depth-averaged nonlinear shallow water numericalmodel is used to study the circulation and vorticity in the nearshorezone. This model is validated on a mobile bed experiment in thewave basin of the Laboratoire Hydraulique de France (ARTELIA).The formation of rip currents is forced by a damped wave forcing inthe middle of the wave basin. The numerical model is validated withfree surface and velocity measurements, and by the circulation andvorticity. Using the potential vorticity balance as a diagnosis tooland with a monochromatic wave forcing, an equilibrium between thevorticity generation and advection is observed in the nearshore zone. / Este trabajo trata de los procesos hidrodinámicos en la zona litoral,de grande importancia para la dinámica global del flujo costero. Dostemas principales son estudiados. El primero trata de la capa límiteoscilante provocada por la interacción entre el oleaje y el fondo alacercarse a la costa. El segundo tema trata de la evolución de lacirculación y la vorticidad inducida por la batimetría y/o el oleaje.Un modelo de capa límite turbulenta ha sido elaborado y validadopara analizar la evolución de la capa límite oscilante bajo la influenciade oleaje no-lineal, apoyándose en una modelación física, realizada enel canal de olas del LEGI. Los perfiles experimentales instantáneos develocidad y posición del fondo fijo, permiten definir la evolución delas no-linealidades inducidas por las olas dentro de la capa límite. Elmodelo numérico acoplado a una modelación del movimiento del fondomóvil es capaz de reproducir la evolución de estas no-linealidades, yexplica también que la difusión vertical observada experimentalmentees principalmente debida al movimiento vertical del fondo inducidopor el oleaje. El estudio de la circulación y de la vorticidad en zonascosteras se hace mediante un modelo numérico 2D promediado enla vertical de tipo Shallow Water que es validado con los datos deuna experiencia llevada a cabo en la piscina de olas del LaboratoireHydraulique de France (ARTELIA). La formación de corrientes ripse realiza a través de frentes de olas con un déficit de energía en elmedio de la piscina. El modelo numérico es validado con medicionesde superficie libre, de velocidades, y de circulación y vorticidad.Utilizando la ecuación de vortcidad potencial como herramienta dediagnóstico, con un oleaje monocromático se predice un equilibrioentre la generación de vorticidad y su advección por las corrientes.