Esta tesis, consistente en una recopilación de artículos de investigación originales
autocontenidos, se ocupa del estudio de los mecanismos físicos que explican algunas
características de la dinámica de convección térmica con aplicación a convección
penetrativa, frecuentemente observada en lagos y reservorios chilenos. Este fenómeno
consiste en la aparición de un campo de flujo derivado del enfriamiento superficial de
una masa de de fluido donde potencialmente puede existir una estratificación de densidad
previa. Si bien este problema ha sido extensivamente estudiado empleando experimentos
de pequeña escala (desde 1 mm hasta unos pocos centímetros), no es el caso para
sistemas naturales de mayor tamaño, donde los flujos son comúnmente turbulentos
y la dinámica asociada está además acoplada con perturbaciones espaciotemporales,
incluyendo temperatura ambiente y vientos locales. El presente trabajo se ocupa de
algunas de estas interrogantes, incluyendo las condiciones requeridas para la aparición
de convección penetrativa bajo condiciones de borde térmicas que dependen del tiempo
y suponiendo ausencia de viento. Primero, se consideró el caso más simple de un
enfriamiento superficial repentino, modelado como una capa horizontal infinita, inicialmente
en reposo, de fluido de Boussinesq. La siguiente fase de este estudio consistió en la
elaboración de un modelo teórico simplificado, propuesto como una base para dar cuenta
de la estabilidad de sistemas de pequeña escala frente a patrones de forzamiento térmico
sinusoidales, buscando así un símil al efecto de enfriamiento vespertino o nocturno en
lagos en los casos donde además hay turbulencia media nula antes del comienzo del
flujo convectivo. Un segundo aspecto de este trabajo de tesis fue el estudio del efecto
de la presencia de fuentes y sumideros térmicos cercanos. Para condiciones débiles de
calentamiento y enfriamiento, se ha encontrado que el estudio de esta configuración es
equivalente al estudio de la interacción entre plumas térmicas y corrientes de densidad en
régimen laminar.
Se ha perseguido los objetivos mencionados empleando una combinación de métodos,
incluyendo simulaciones numéricas, técnicas analíticas de perturbación para el estudio
de la estabilidad de los sistemas referidos modelados a través de las ecuaciones de
Navier-Stokes y energía, además de la realización de experimentos. En este último
caso, se propone una técnica de medición simultánea de los campos vectoriales de
velocidad (usando PIV) y gradiente de densidad (usando schlieren sintético). La naturaleza
inherentemente delicada de los experimentos llevados a cabo hizo necesario el desarrollo
de sistemas de control ad-hoc. Como resultado de estas actividades, ha sido posible
vincular las propiedades del fluido con parámetros adimensionales (incluyendo los números
de Prandtl y Rayleigh), para dar cuenta de los tiempos de inicio de convección y frecuencia
de forzamiento térmico en la superficie (entre otros). Del estudio de inhomogeneidades
espaciotemporales, se encontró que las plumas térmicas bidimensionales laminares
pueden sobrevivir el impacto con una corriente de gravedad modificando, sin embargo, su
posición original.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UCHILE/oai:repositorio.uchile.cl:2250/102700 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Ihle Bascuñán, Christian |
| Contributors | Niño Campos, Yarko, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Ingeniería Civil, Bruce Dalziel, Stuart, Tamburrino Tavantzis, Aldo, Anthony Davies, Peter, Valencia Musalem, Álvaro |
| Publisher | Universidad de Chile |
| Source Sets | Universidad de Chile |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Tesis |
| Rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Chile, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/cl/ |
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