Estudio experimental de los procesos de transporte y transferencia de masa en la capa limite béntica de estuario

Abstract

Se realizó una investigación en el tema de la Hidrodinámica de sistemas acuáticos ambientales, específicamente, acerca de los procesos de flujo y transporte en la capa límite béntica de estuarios afectados por oleaje. Este estudio se enmarca dentro del proyecto FONDECYT “Turbulencia y Transporte en la capa límite béntica de Lagos y Estuarios, Estudio de Terreno y Modelación”. Los experimentos fueron realizados en un canal abierto de 12 m de largo y 0.3 m de ancho, con un lecho de sedimentos de arena uniforme de 0.5 mm. Se instalo un generador de oleaje en el extremo de aguas abajo. Sus frecuencias de oscilación fueron controladas mediante una computadora. En un tramo central del canal, de 0.5 m de largo, el lecho fue aislado y saturado con un trazador, el cual fue inyectado a través de agujeros ubicados en el fondo. Además se utilizó una esponja como difusor, la cual permite obtener una concentración uniforme y homogénea del trazador en el lecho de sedimentos. Se utilizó una solución salina de concentración baja como trazador, para poder detectarlo en el flujo con la ayuda de un sensor de conductividad. La cota del estanque principal que contiene la solución salina se mantuvo constante e igual al nivel medio de la superficie libre del canal, para así no crear un flujo artificial del trazador hacia la columna del agua. Se utilizó un sensor eléctrico para registrar la altura del flujo y el período de onda. Un sensor de velocidad tipo ADV y un sensor de conductividad, fueron utilizados para medir la estructura de la turbulencia en el flujo y la concentración de sal en la columna del agua, a lo largo de varios perfiles situados en la línea central del canal, en la región donde el trazador fue inyectado al lecho de sedimentos. Se realizaron 3 tipos de experiencias para 2 caudales distintos: una experiencia solo con flujo gravitacional y otras 2 con oleaje de períodos distintos. Se integraron los perfiles de concentración del trazador a lo largo del volumen de control, para determinar el intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos. Se utilizó un modelo lineal de intercambio de masa, considerando la diferencia entre las concentraciones de sal en los sedimentos y la columna del agua, para así determinar un valor del coeficiente total del intercambio. Se adimensionalizó el coeficiente de intercambio mediante el número de Sherwood y se graficó en función del número de Reynolds del flujo. Los resultados obtenidos demuestran que existe un aumento del número de Sherwood a medida que aumenta el número de Reynolds, es decir, la turbulencia generada por el flujo provoca aumento en la transferencia de masa. Esto último es consecuente con los resultados obtenidos en experiencias similares de transferencia de oxígeno disuelto. Además, se concluyó que el efecto de agitación por oleaje aumenta el valor del coeficiente total de intercambio y por ende del número de Sherwood, para un mismo número de Reynolds. El efecto de las olas modifica la estructura del flujo y la turbulencia, aumentando los gradientes de velocidades, la energía cinética turbulenta y la componente vertical de la velocidad, lo que provoca el aumento del intercambio de masa entre la columna de agua y los sedimentos.