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Ver el documento (formato PDF)   Rodríguez Imazio, Paola Carolina.  "Transporte anisótropo de escalares pasivos en turbulencia rotante"  (2014)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
Un escalar pasivo es un contaminante difusivo presente en un fluido con un grado de concentración tan pequeño que no produce un efecto dinámico en el campo de velocidad. Aerosoles, contaminantes en pequeñas concentraciones en la atmósfera y los océanos, elementos químicos en el interior de las estrellas, o bajo ciertas aproximaciones pequeñas fluctuaciones en la temperatura de un fluido son ejemplos de escalares pasivos. La correcta comprensión de la dinámica de estas magnitudes es relevante para muchas aplicaciones, pero también tiene implicancias importantes en el entendimiento general de la turbulencia. Por este motivo, muchos estudios de escalares pasivos se concentraron en el caso de flujos turbulentos isótropos y homogéneos, aunque en flujos geofísicos, astrofísicos e industriales muchas veces la presencia de fuerzas externas introduce anisotropías en el campo de velocidad que no pueden despreciarse. En esta tesis se presenta un estudio detallado de la advección, el mezclado y la difusión de escalares pasivos en flujos turbulentos rotantes, con y sin helicidad neta. La rotación está presente en muchos flujos en la atmósfera, mientras que se cree que la helicidad (una magnitud conservada por un fluido ideal, asociada a la ruptura de simetría de reflexión en el flujo) es relevante en algunos fenómenos como las tormentas rotantes convectivas. Para caracterizar la advección de los escalares pasivos en el campo de velocidades turbulento, se estudian sus leyes de escala y el desarrollo de anisotropías en el espacio espectral, y en el espacio real usando una descomposición axisimétrica para las funciones de estructura de la velocidad y el escalar pasivo. En el caso rotante no helicoidal, confirmamos que el escalar pasivo es más anisótropo que el campo de velocidad y observamos que su espectro de potencias sigue una ley espectral consistente con un espectro V (k┴) ~ k┴−3/2. En el caso helicoidal, observamos que las leyes de escala son consistentes con un espectro mas empinado para la energía, y menos empinado para el espectro de varianza escalar. Ambos casos se explican con argumentos fenomenológicos que consideran el efecto de la rotación y de la helicidad. La intermitencia del escalar pasivo y del campo de velocidad se caracteriza usando exponentes de escala y funciones de densidad de probabilidad de los incrementos de la velocidad y el escalar pasivo. En presencia de rotación, mostramos que los exponentes de escala pueden ser correctamente predichos usando el modelo de Kraichnan en dos dimensiones. Esta reducción en la dimensionalidad efectiva del problema está asociada a la fuerte anisotropía en la distribución espacial del escalar pasivo. Finalmente, estudiamos y medimos en simulaciones numéricas la difusión turbulenta de escalares pasivos en flujos con y sin rotación y con y sin helicidad neta, y calculamos coeficientes efectivos de transporte usando las leyes de difusión de Fick. Para los flujos rotantes, los coeficientes se calculan en las direcciones paralela y perpendicular al eje de rotación para tener en cuenta la anisotropía en el mezclado y transporte turbulento. Se varían también los números de Rossby y de Schmidt para cuantificar su efecto sobre la difusión efectiva. Para flujos rotantes sin helicidad neta, encontramos que la rotación reduce la difusividad del escalar en el plano perpendicular al eje de rotación, pero no modifica la difusión en la dirección paralela. En presencia de helicidad y ausencia de rotación, los coeficientes de transporte turbulento aumentan ligeramente, en buen acuerdo con resultados previos. Finalmente, en el caso rotante helicoidal, encontramos que la difusión perpendicular disminuye aún mas que en el caso rotante sin helicidad, mientras que la difusión paralela se ve levemente incrementada respecto al mismo caso.

Abstract:
A passive scalar is a diffusive contaminant present in a fluid in such a small concentration that it produces a negligible dynamic effect on the velocity field. Aerosols, contaminants in the atmosphere and the oceans in small concentrations, chemical elements in stellar interiors, and under certain approximations small fluctuations in the fluid temperature are all examples of passive scalars. The correct understanding of the dynamics of these quantities is relevant for many applications, but it also has important implications for our general understanding of turbulence theory. For this reason, previous studies in many cases focused on passive scalar dynamics in isotropic and homogeneous turbulence, although geophysical, astrophysical, and industrial flows are often anisotropic as the result of the presence of external forces with preferred directions. In this thesis we present a detailed study of the advection, mixing, and diffusion of passive scalars in turbulent rotating flows with and without net helicity. Rotation is relevant in atmospheric flows, and it is believed that the helicity (an ideal invariant of rotating fluids, and a quantity associated with mirror symmetry in the flow) is relevant in such phenomena as supercell thunderstorms. To characterize the advection of passive scalars in a turbulent velocity field, we study scaling laws and the development of anisotropy in spectral space as well as in real space using an axisymmetric decomposition for the structure functions of the velocity and the passive scalar. In the non-helical rotating case, we confirm that the passive scale is more anisotropic than the velocity field, and found that its power spectrum is consistent with a power law V (k┴) ~ k┴−3/2. In the helical case rotating case, we find that the scaling laws are consistent with a steeper spectrum for the energy and a shallower spectrum for the scalar variance. Both cases are correctly explained by phenomenological arguments that take into account the effect of rotation and helicity. Intermittency of the passive scalar and of the velocity field is characterized using scaling exponents and probability density functions of velocity increments and passive scalar increments. In the presence of rotation, we show that scaling exponents are in good agreement with those obtained from Kraichnan’s model in two dimensions. This effective reduction in the dimensionality of the problem is associated with the strong anisotropy observed in the spatial distribution of passive scalar. Finally, we study and measure in numerical simulations the turbulent diffusion of passive scalars in flows with and without rotation, and with and without net helicity. Effective transport coefficients are calculated using Fick’s diffusion laws. For rotating flows, the transport coefficients are calculated in directions parallel and perpendicular to the rotational axis, to account for any anisotropy in the turbulent mixing and diffusion. We also vary the Rossby and Schmidt numbers to quantify their effect on the effective diffusion. For non-helical rotating flows, we find that turbulent diffusion is reduced in the plane perpendicular to the rotation axis, while it does not change in the parallel direction. In the absence of rotation, helicity causes a slight increase in the turbulent transport coefficients, in good agreement with previous results. Finally, for rotating helical flow, the perpendicular diffusion further decreases (compared to the non-helical rotating case), while the parallel diffusion is slightly increased (compared to the same case).

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Registro:
Título : Transporte anisótropo de escalares pasivos en turbulencia rotante     =    Anisotropic transport of passive scalars in rotating turbulence
Autor : Rodríguez Imazio, Paola Carolina
Director : Mininni, Pablo D.
Consejero : Moreno, César
Jurados : Calzetta, Esteban  ; Saraceno, Martín  ; Wesfreid, José
Año : 2014
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5419_RodriguezImazio
Idioma : Español
Area Temática : Física / Física de Fluidos
Física / Física Experimental
Palabras claves : TURBULENCIA; ESCALARES PASIVOS; TRANSPORTE ANISOTROPO; TURBULENCE; PASIVE SCALARS; ANISOTROPIC TRANSPORT
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