Spatiotemporal Features of Natural Convection

Abstract

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.