Colisión entre anillos de vorticidad y transporte de una sustancia escalar

Abstract

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.