Estudio de la convección penetrativa mediante el uso de PIV y video

Abstract

Producto del enfriamiento durante la noche en lagos se produce a nivel superficial una delgada lámina de agua de mayor densidad, de la que comienzan a precipitar corrientes de agua más fría modificando la termoclina. Este fenómeno que se conoce como convección penetrativa y dicho proceso es gobernado por el equilibrio entre las fuerzas boyantes y fuerzas viscosas en presencia de un proceso de transferencia de calor en el fluido, descrito por cierto número adimensional conocido como el número de Rayleigh, Ra. La convección penetrativa constituye uno de los principales mecanismos de transporte de energía en el sistema acuático, lo que a nivel estacional genera cambios en la hidrodinámica interna de estos. Sin embargo, se conoce poco acerca del comportamiento de las plumas termales que se generan a nivel diario y de cómo estas pueden afectar la estratificación existente. Para ello se ha desarrollado una instalación experimental capaz de reproducir el fenómeno observado de manera equivalente, realizando ciclos de calentamiento enfriamiento en la base y no en la superficie como en los lagos. Para producir dichos ciclos, el sistema automatiza la entrada de agua caliente y fría al sistema generando variaciones sinusoidales de temperatura. Para visualizar el fenómeno se utilizó Particle Image Velocimetry o PIV, del que se obtienen campos vectoriales de las velocidades producidas por las erupciones termales, las que han sido verificadas mediante una comparación con el ajuste realizado por Moses et al. (1993). Se realizaron por otro lado experiencias con la columna de agua estratificada, encontrando que la variación de la posición de la termoclina, z_T, producto de las erupciones termales, sigue un comportamiento muy similar al de la onda de temperatura impuesta, salvo por un desfase entre el mayor valor de z_T y la temperatura máxima. Además se comprobó experimentalmente la teoría planteada por Ihle & Niño (2012) que relaciona el tiempo de inicio de la convección con una potencia del número de Rayleigh mediante una constante, cuya parametrización también ha sido corroborada.