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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Física de Fluidos [ 11 tesis ]

Mancini, Roberto Claudio. "Termodinámica e hidrodinámica de la materia hipercomprimida" (1983) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Sanchez, Odelsia Leonor. "Transferencia de calor entre cilindros rotatorios concéntricos" (1984) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Farengo, Ricardo. "Microinestabilidades producidas por gradientes de corriente en plasmas magnetizados" (1984) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Bender, Laurence E.. "Procesos disipativos rápidos en magnetohidrodinámica" (1997) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se investiga en forma analítica y numérica la evolución temporal de láminas de corriente en configuraciones de aniquilación magnética forzadas por un flujo con un punto de estancamiento. Se muestran las importantes consecuencias físicas de la etapa de formación de la lámina de corriente, que se puede originar a partir de una "semilla" inicial de campo magnético o mediante la inyección continua de flujo magnético. La convección y amplificación del campo magnético en un flujo de estancamiento genera una disipación Joule muy intensa dentro de la lámina de corriente en escalas de tiempo hidrodinámicas. Estos efectos pueden dar lugar a la aniquilación rápida del campo magnético, a la formación de estructuras disipativas estacionarias o a soluciones que crecen indefinidamente con el tiempo, dependiendo del balance entre la disipación y el ingreso de flujo magnético. Los elementos básicos del proceso de amplificación de la energía magnética se examinan usando argumentos físicos sencillos basados en consideraciones de orden de magnitud. Se obtienen soluciones analíticas dependientes del tiempo que describen la evolución del campo magnético en flujos con geometría plana. Suponiendo condiciones iniciales y de contorno generales para la componente de campo magnético contenida en el plano del movimiento, se demuestra que la capa en donde el campo magnético cambia de signo tiende a desaparecer durante la formación de la lámina de corriente. Por otra parte, la componente de campo magnético normal al flujo de estancamiento siempre se extingue rápidamente. En consecuencia, las configuraciones estacionarias de campo magnético con cambio de signo que se consideran habitualmente en los estudios de procesos de reconexión magnética e inestabilidades resistivas, resultan ser casos excepcionales en lugar de estructuras magnéticas genéricas. Se obtienen soluciones autosimilares que describen la amplificación y el decaimiento del campo magnético en flujos planos y axialmente simétricos. En flujos con un punto de estancamiento tridimensional las láminas de corriente se aniquilan completamente a menos que sean sostenidas por una inyección continua de energía magnética. Se consideran aplicaciones de estos modelos a la magnetósfera terrestre, a la formación de estructuras disipativas en el Plasma Focus y al calentamiento de la corona solar. Se estudia la influencia del flujo de estancamiento, que tiende a oponerse a la permanencia de configuraciones con campo magnético reconectado, sobre la estabilidad de la lámina de corriente. Simulaciones numéricas de reconexión magnética en dos dimensiones muestran la formación y consolidación de la lámina de corriente. El incremento de la conductividad provocado por el aumento de la temperatura en la lámina de corriente puede acelerar los procesos de amplificación y decaimiento del campo magnético. Estos efectos térmicos se ilustran mediante soluciones numéricas. Los límites del modelo incompresible debidos al calentamiento y a las variaciones de densidad se discuten brevemente. En el último capítulo se estudia en forma numérica la evolución de láminas de corriente en flujos compresibles.

Abstract:
The time evolution of current sheets under the influence of driven stagnation point flows is studied. It is shown that significant physical processes occur during the formation of the current sheet, originated from a sparse magnetic seed field or from an external continuous injection of magnetic flux. The advection and amplification of the magnetic field at a stagnation flow can give rise to large amounts of Joule dissipation over hydrodynamic time scales. These effects may lead to an accelerated annihilation of the magnetic field, or to steady state dissipative layers, depending on the balance between the incoming magnetic flux and the dissipation rate. The basic elements of the flow enhanced dissipation mechanism are discussed using order of magnitude considerations. Analytic time dependent solutions that describe the evolution of the magnetic field are obtained for planar flows. Starting from generic initial and boundary conditions for the magnetic field component lying on the plane of the flow, it is shown that the sublayer in which a change of sign of the magnetic field occurs tends to vanish in a short time during the formation of the current sheet. On the other hand, the magnetic field component normal to the flow plane is always rapidly extinguished. Thus, configurations commonly considered as models for steady state reconnection or tearing instability studies, are exceptional cases rather than generic magnetic structures. Self similar solutions that describe the amplification and decay of the magnetic field for planar and axial-symmetric flows are also obtained. In three dimensional stagnation point flows, current sheets that are not sustained by a continuous injection of magnetic energy are completely annihilated in a few hydrodynamic times. Several applications, including coronal heating, the dayside magnetospheric stagnation point, and the formation of hot spots in the Plasma Focus experiments, are discussed. The influence of stagnation flows on the stability of these dissipative structures is studied. These flows tend to oppose the permanence of a reconnected configuration. Numerical simulations of two-dimensional magnetic reconnection show the build up and consolidation of the current sheet. Thermal effects due to the rise of temperature in the current sheath and the resulting conductivity increment, enhance the amplification and extinction processes. These effects are illustrated with numerical solution examples. The heating and compressibility limits of the model are briefly outlined. Finally, the effect of density variations during the evolution of current sheets in compressible stagnation point flows is also studied numerically.

Obernauer, Silvia. "Inestabilidades entre fluídos miscibles en medios porosos" (1999) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo se presenta un estudio experimental de desplazamientos de fluidos miscibles dentro de medios porosos y celdas de Hele-Shaw empleando fluidos Newtonianos y no-Newtonianos con técnicas de visualización. La primera parte está dedicada al estudio de la inestabilidad que aparece en la interfase entre dos soluciones de una única especie difusíva cuando la solución más concentrada se ubica sobre la menos concentrada (inestabilidad de Rayleigh-Taylor). Esta inestabilidad se estudia en forma preliminar para una interfase sin condiciones de flujo y se complementa el estudio en desplazamientos dentro de una celda de Hele-Shaw colocada en forma horizontal. Se inyecta colorante que empuja agua pura y se observan con el tiempo la aparición de estrías paralelas a la dirección del flujo detrás del frente de avance. Los resultados experimentales son interpretados en términos de una inestabilidad gravitatoria debido a gradientes verticales de concentración del colorante inyectado inducidos por el perfil de velocidades del flujo. Dicho perfil, en el espesor de la celda, crea un gradiente de concentración que puede ser modelado como una estructura de tres capas. Si bien los experimentos muestran que la longitud de onda caracteristica de la estructura es del orden del espesor de la celda, se encuentra además una dependencia con el aumento de contraste de densidades entre ambos fluidos en acuerdo con modelos teóricos. Se encuentra experimentalmente que la periodicidad media es independiente del caudal es decir que es independiente de la velocidad de la interfase. Se estudia también el tiempo de aparición de estas inestabilidades en función del caudal de inyección, de la concentración del colorante y de la inclinación de la celda. En la segunda parte de esta Tesis se presenta el estudio de desplazamientos de fluidos donde uno de los mismos es una solución polimérica (soluciones de Xanthano) con un comportamiento tipo reofluidizante. Los desplazamientos son siempre horizontales y la inestabilidad aparece cuando el fluido menos viscoso empuja al más viscoso (inestabilidad de Saffman-Taylor). En primer término se analizan experiencias en donde el agua coloreada empuja soluciones poliméricas dentro de un medio poroso rectangular cuasi bidimensional consistente en empaquetamientos de microesferas de vidrio. Se encuentra una rica variedad de estmcturas al variar el caudal, la concentración del polímero y el tamaño de microesferas. Para altas concentraciones de polímero las mismas son del tipo fractal. A partir de la medición de la dimensión fractal en bandas a lo largo de la estructura se logra evidenciar propiedades de multiscaling. De la observación del crecimiento de los dedos individuales que aparecen encontramos dos tipos de comportamientos dinámicos. En segundo término se estudian desplazamiento con la misma solución polimérica pero en celdas de Hele-Shaw con inyección radial. En este caso la viscosidad del segundo fluido, de comportamiento Newtoniano, se elige de un valor intermedio entre las viscosidades del polímero a altas y bajas velocidades de corte. Se observa en cada experiencia una transición de un desplazamiento estable a inestable cuando la velocidad media del frente se vuelve menor que un valor crítico. Se investiga la dependencia de la velocidad critica con la viscosidad del fluido Newtoniano y con el caudal. La velocidad crítica es comparada con la velocidad donde la viscosidad de ambos fluidos es la misma si se desplazaran en forma independiente.

Abstract:
An experimental study of miscible fluid displacement inside porous media and Hele-Shaw cell employing Newtonian and non-Newtonian fluids is reported in this work. This miscible displacement process was studied by means of visualization techniques. The first part is concerned with the study of the instability that appears at the interface between two miscible solutions of a single diffusing species when the higher concentration solution is placed over the lower one (Rayleigh-Taylor instability). We have studied this instability in a preliminary way in a no flowing front. We completed the study with investigations of displacements where dye pushes pure water inside an horizontal Hele-Shaw cell. After a certain time striations parallel to the flow are observed near the displacement front. Experimental results suggest an interpretation in terms of the gravitational instability due to the vertical dye concentration gradients induced by the flow profile between the cell plates. The velocity profile in the cell thickness creates a gradient of concentration that can be modeled as a three-layer structure. Experiments show that the mean wavelength is of the order of magnitude of the cell thickness. This characteristic length is found to depend on the density contrast between both fluids in agreement with theoretical expectations. We found experimentally that the mean periodicity is independent of the flow rate and therefore independent of the interface velocity. We have also studied the onset time of these instabilities as a function of the flow rate, the dye concentration and the cell inclination. In the second part we present the experimental study of miscible displacements where one of the fluid is a polymeric solution (Xanthan solutions) with a shear-thinning behavior. The displacements are always horizontal and the instability appears when the less viscous fluid pushes the more viscous one (Saffman-Taylor instability). We analyze experiments where water pushes polymeric solution inside a rectangular pseudo-bidimensional porous media consisting of glass spheres packing. Experiments were performed with porous media with two different grain size and varying the polymer concentration and the flow rate. A rich variety of patterns were found. At high polymer concentration a fractal behavior was observed. The fractal dimension was measured on bands along the structure in order to verify experimentally the multiscaling properties. From the observation of the finger evolution in time we have found two different dynamic behaviors. We also studied displacements with the same polymeric solution in a radial Hele-Shaw cell. In this case, the viscosity of the second fluid, which has Newtonian behavior, is tuned to lie between high and low shear rate asymptotic apparent viscosities of the polymeric solutions. A crossover from a stable displacement to an unstable situation displaying viscous fingering patterns is observed, as the mean front velocity becomes lower than a critical value. The dependence of this critical velocity on Newtonian fluid viscosity and the injection rate is investigated. The experimental critical velocity is compared with the velocity at which the viscosity of both fluids is the same.

Callegari, Gerardo Carlos. "Dinámica del demojado de películas líquidas" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se estudia experimentalmente el demojado de peliculas líquidas de diversas viscosidades, sobre sustratos planos y en el interior de tubos capilares cilindricos de PVC. Mientras que en geometría plana la velocidad de demojado, Vd, permanece constante con el espesor de la película, h (para valores de h suficientemente bajos), en geometría cilindrica se observa un claro aumento de Vd con h. Los datos correspondientes a los líquidos de todas las viscosidades analizadas siguen una tendencia común. La velocidad de demojado disminuye para una película de viscosidad dada, cuando el fluido externo no es aire sino un líquido de viscosidad finita: la relación entre el factor de reducción de velocidad y las viscosidades de ambos líquidos concuerdan con lo estimado por un modelo semiempírico previo. Se desarrolla un modelo teórico que muestra que, en geometria cilíndrica, la fuerza capilar motriz aumenta con el cuadrado del espesor de la película. Finalmente, se presenta un modelo numérico en el cual se demuestra que la disipación en el interior del montículo que colecta el líquido que demoja, no es despreciable frente a la de la línea de triple contacto y que depende de la geometría. De esta manera se explica la tendencia de los resultados experimentales.

Abstract:
Dewetting of liquid films of various viscosities has been studied experimentally in PVC plane substrats and in the inner part of capillary cylindrical tubes. While in planar geometry the dewetting velocity remains constant with the film thickness, h (for thickness values low enough) a clear increase of the dewetting velocity with h is observed in cylindrical geometry, and a common trend is followed by data corresponding to all fluids of varying viscosities. The dewetting velocity decreases for a film of given viscosity when the surrounding fluid is not air but a finite viscosity liquid: the relationship between the velocity reduction factor and liquids viscosities are in agreement with estimations obtained with a previous semiempirícal model. A theoretical model is developed which shows that, in cylindrical geometry, the driving capillary force increases with the square of the film thickness. Finally a numerical model is presented showing that the disipation inside the bulk of the rim collecting the dewetting fluid, is important, compared with the disipation near the contact line and that it depends on the geometry. In this way the experimental trend of the results is explained.

Llamedo Soria, Pablo Martín. "Estudio de ondas de gravedad atmosféricas a partir de datos de radio ocultamiento GPS y de simulaciones numéricas, a escala regional en la zona de Cuyo y global" (2009) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En el presente trabajo, se analizan las ventajas y limitaciones de la técnica de radio ocultamiento entre satélites GPS y de órbita baja, aplicada al estudio de las ondas de gravedad en las atmósferas baja y media. En particular, las limitaciones de la técnica mencionada son puestas en evidencia, a fin de cuantificar de la manera más realista posible, la densidad de energía asociada a las ondas atmosféricas, en función de su variabilidad estacional, latitudinal, longitudinal y en altura. Se pone en evidencia la ventaja del método en términos estadísticos, cuando se aplica a un número suficiente de perfiles de temperatura. Se discute en detalle la configuración geométrica relativa entre la trayectoria de los rayos descriptos por la señal de radio y los frentes de onda durante cada ocultamiento, así como las diferentes técnicas usuales de procesamiento de datos para separar la componente oscilatoria de los perfiles de temperatura. En el presente trabajo se aplica y discute una de ellas, consistente en la aplicación de un filtro pasa banda a cada perfil individual, antes de realizar el proceso de promediado. Los resultados obtenidos son aplicados para obtener una climatología de ondas de gravedad a escala global y regional. Se han observado algunas características previamente conocidas de la distribución espaciotemporal de la actividad ondulatoria en la estratósfera. A escala global, la actividad ondulatoria fue derivada de datos de radio ocultamiento GPS, obtenidos por las misiones CHAMP, GRACE y SAC-C entre los años 2001 y 2009. A escala regional, se utilizaron datos obtenidos por la misión COSMIC entre los años 2006 y 2009. El estudio de eventos de radio ocultamiento individuales de aparente gran energía potencial, ha sido complementado con simulaciones numéricas a partir de modelos de mesoescala y de la aplicación de la técnica de wavelets. En paricular, la región de Cuyo constituye un laboratorio natural para el estudio de ondas de gravedad,originables por los tres principales mecanismos usualmente reconocidos: convección profunda, forzado orográfico y ajuste al equilibrio geostrófico.

Abstract:
In the present work, the advantages and limitation of the radio occultation techniques between GPS and low earth orbit (LEO) satellites are analyzed. In order to give a realistic measure of the energy associated to atmospherics waves, the limitation are highlighted. From a statistical point of view, whenever the method is applied to a suficient number of temperature profiles, advantages are put in evidence. The relative geometric configuration between the ray trajectory of GPS signal and wave fronts during each occultation is discussed, as well as the different data processing techniques to separate the perturbation component from the temperature profiles. One of these data processing techniques is applied and discussed. Essentially, it consists in apply a band pass filter to each individual temperature profile before the average process. The obtained results were implemented to give a global and regional scale gravity waves climatology. Some previously known characteristics of the spatial-temporal distribution of wave activity in the stratosphere were observed. At global scale, gravity waves climatology were derived from GPS radio occultation data, obtained by CHAMP, GRACE and SAC-C missions between 2001 and 2009 years. At regional scale, data from the COSMIC mission were used, obtained between 2006 and 2009 years. The study of individual events with an apparent high wave activity, were complemented with numerical simulation from mesoescale models and the applications of wavelets techniques. In particular, the Cuyo region constitutes a natural laboratory where the main sources of gravity waves coexist: deep convection, topographic forcing and geostrophic adjustment.

Pomata, Matías H.H.. "Efectos de solvatación en agregados supramoleculares" (2010) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En la primera parte de esta tesis presentamos simulaciones de dinámica molecular sobre micelas inversas inmersas en ciclohexano. Consideramos tres interiores polares diferentes: agua (W), formamida (FM) y una mezcla equimolar de ambos solventes. En todos los casos, el surfactante utilizado fue bis(2-etilhexil)sulfoccinato de sodio (usualmente conocido como AOT). El radio inicial de las micelas fue deR ∼ 15 Å , mientras que los cocientes molares (w0=/) correspondientes fueronintermedios entre w0 = 4;3 para FM y w0 = 7 paraW. La forma global de las micelas se asemeja a elipsoidesdistorsionados, con una excentricidad media del orden de ∼ 0;75. Las correlaciones de densidadlocal dentro de las micelas muestran una solvatación preferencial de la especie iónica sodio por el agua,en contraposición con el comportamiento encontrado en mezclas equimolares en fase condensada. Comparadocon los resultados en fase condensada, los modos traslacionales y rotacionales de los solventesconfinados, exhiben una desaceleración importante, que se hace más notable en los movimientos rotacionales donde las escalas temporales características pueden ser hasta 50 veces más largas. también se discuten las modificaciones en la conectividad intramolecular, expresadas en términos del número medio de uniones hidrógeno y sus tiempos de vida media. En la segunda parte, presentamos resultados de simulaciones de dinámica molecular sobre sistemas de fructosa en solución, a concentraciones que llegan hasta 70 wt% (5 M). Encontramos que la red de uniones hidrógeno de las moléculas de fructosa se extiende con el aumento de la concentración de azúcar y forma un sistema estructuralmente heterogéneo alrededor y por arriba de una concentración 45 wt% (3 M), caracterizado por un dominio del soluto que se asemeja a un sistema percolado. La presencia de estos agregados en soluciones concentradas promueve la desaceleración de las dinámicas traslacionales, rotacionales y de las uniones hidrógeno, lo cual es típico en muchos ambientes biomoleculares. Como en el caso de la superficie de una proteína, los desórdenes topológico y energético de los agregados de azúcar contribuyen a la dinámica traslacional anómala. Sin embargo, a diferencia de lo observado en las cercanias de la superficie de una proteína, la relajación rotacional también se ve impedida por el desorden topológico creado por el conglomerado de azúcar en soluciones concentradas. Para completar el análisis de esta última parte de la tesis, obtuvimos resultados sobre el sistema ternario "electrolitos+fructosa+agua". Encontramos que para el caso de las solucines más concentradas de fructosa (4-5 M), el agregado de cloruro de sodio promueve una fragmentación del conglomerado de fructosas "percoladas" en otros de tamaño más pequeño. Asimismo, observamos que en todo el rango de concentraciones de fructosa investigado, los iones están solvatados preferencialmente por el agua. En cuanto a los aspectos dinámicos de estos sistemas observamos que, de manera general, la dinámica traslacional de todas las especies, disminuye en un orden de magnitud aprox. al aumentar la concentración de fructosa de 1 M a 5 M.

Abstract:
In the first part or this thesis we present results from molecular dynamics simulations performed on reverse micelles immersed in cyclohexane. Three different inner polar phases are considered: water (W), formamide (FM), and an equimolar mixture of the two solvents. In all cases, the surfactant was sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate(AOT). The initial radii of the micelles were R ∼ 15 Å, while the corresponding polar solvent-to-surfactant molar ratios were intermediate between w0 = 4,3 for FM and w0 = 7 for W. The resulting overall shapes of the micelles resemble distorted ellipsoids, with average eccentricities of the order of ∼ 0,75. Local density correlations within the micelles indicate preferential solvation of sodium ionic species by water, in contrast to the behavior found in bulk equimolar mixtures. Compared to bulk results, translational and rotational modes of the confined solvents exhibit important retardations, most notably those operated in rotational motions where the characteristic timescales may be up to 50 times larger. Modifications of the intra-molecular connectivity expressed in terms of the average number of hydrogen bonds and their lifetimes are also discussed. In the second part molecular dynamics simulations have been carried out to investigate the dyna- mics of fructose aqueous solutions up to 70 wt % concentration. We find that the hydrogen(H)-bonded network of fructose molecules extends with increasing sugar content and forms a structurally heteroge- neous system around and above 45 wt % concentration, characterized as a percolated-like solute domain. The presence of such aggregates in concentrated solutions promotes the slowing down of water transla- tional, reorientational, and H-bonding dynamics, typical of many biomolecular environments. Analysis of the effects of the topological and energetic disorder of the sugar aggregates on vicinal water dynamics, similar to that recently carried out for the hydration layer of proteins by Pizzitutti et al. , reveals many similarities between the dynamical anomaly of the hydration layers of both systems. Like a protein surface, topological and energetic disorders of the sugar aggregates both contribute to the translational diffusion anomaly. However, unlike in the vicinity of a protein surface, the rotational relaxation is also hindered by the topological disorder created by the intertwined, percolating sugar clusters in concentrated solutions. To complete the analysis developed in the last part of this thesis, we obtained results on the three species sistem “electrolytes+fructose+water”. We found that for the most concentrated sistems (fructose 4-5 M), the adition of sodium chloride promotes the fragmentation of the “percolated” cluster of fructose, in smaller fragments. Besides, we observed that in the whole concentration range studied, the ionic species was mainly solvated by water. Regarding the translational dynamics of theese solutions, we noticed that de self-diffusion coefficients of all species decrease by roughly one order of magnitude in going from fructose 1 M to 5 M.

Teitelbaum, Tomás. "El decaimiento libre de flujos turbulentos rotantes" (2012) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis se presenta un estudio detallado del decaimiento libre de flujos turbulentos rotantes tridimensionales (3D), y de flujos rotantes y estratificados en la aproximación cuasi-geostrófica de superficie, sometidos a distintas condiciones iniciales. En el caso de la turbulencia rotante 3D se usa la conocida cuasi- bidimensionalización para predecir los distintos decaimientos, proponiendo un método original que consiste en estudiar la energía presente en modos bidimensionales (2D) y 3D de manera independiente. Con el mismo fin, se introduce el uso de dos nuevas magnitudes conservadas anisótropas, relacionadas con el momento lineal y angular en la dirección paralela al eje de rotación. Los resultados indican que las leyes del decaimiento de la energía no son universales, dependiendo de la forma en que los flujos son excitados inicialmente. Las leyes de potencia observadas para el decaimiento son afectadas por las correlaciones en las escalas grandes, por la cantidad neta de helicidad presente inicialmente, por el grado inicial de anisotropía, y por la formación de estructuras coherentes. Para todos los casos estudiados se logra predecir las leyes de potencia observadas en las simulaciones mediante modelos fenomenológicos, conocidas las condiciones iniciales. Los flujos estratificados fuertemente rotantes se estudian utilizando la aproximación cuasi-geostrófica de superficie, derivada a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes. Se presentan soluciones estadísticas de equilibrio para las ecuaciones ideales, verificando su validez en simulaciones numéricas. Las soluciones estadísticas del sistema ideal permiten predecir el sentido de la transferencia y cascadas de las dos magnitudes cuadráticas (la pseudoenergía y la pseudo-enstrofía) conservadas por el sistema. A partir de estos resultados se predice la tasa de decaimiento de la pseudo-enstrofía, teniendo en cuenta el efecto de las estructuras coherentes en el flujo. La predicción es verificada para número de Reynolds muy alto en simulaciones del sistema viscoso y en simulaciones ideales.

Abstract:
In this thesis we present a numerical study of freely decaying turbulent rotating three dimensional (3D) flows, and of rotating and stratified fluids under the surface quasi-geostrophic approximation. In both cases we explore a wide variety of initial conditions. In the case of 3D rotating turbulence we propose an original approach considering the energy contained in 2D and 3D modes separately, and take advantage of the well known bidimensionalizating process common in these systems. Also, we introduce two new anisotropic conserved quantities related to the angular and linear momentum parallel to the rotation axis. The results show that the energy decay rates are sensitive to the initial conditions and no single universal solution appears to exist. The different decay laws observed indicate that rotating turbulence is affected by initial large scale correlations in the flow, by the initial content of helicity, by the anisotropy in the initial conditions, and by the formation of coherent structures. For every initial condition studied, we use phenomenological models to predict the decay laws observed in the simulations. We then study stratified flows under strong rotation using the surface quasi-geostrophic (SQG) approximation derived from the Navier-Stokes equations. We derive statistical equilibrium solutions of the inviscid equations, and verify the validity of these solutions in numerical simulations. The statistical solutions of the inviscid equations allow us to predict the direction in which the two quadratic invariants of the system (the pseudo-energy and pseudo-enstrohpy) cascade in the viscous case. Using these results, we predict the decay rate of the pseudo-enstrophy considering also the effect of coherent structures in the flow evolution. These predictions were validated using numerical simulations of viscous and inviscid systems.

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).

Luna, Diego Alejandro. "Estudio de ondas de gravedad mediante radio ocultamientos GPS: Limitaciones e incertidumbres" (2014) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El radio ocultamiento GPS (RO GPS) es una técnica de sensado remoto para la medición de propiedades físicas de la atmósfera. En este trabajo se estudiaron las limitaciones de las mediciones de RO para evaluar la actividad de las ondas de gravedad atmosféricas (OG). También se presenta un estudio del rango de variabilidad de actividad ondulatoria aplicado específicamente en la zona de la Patagonia y Península Antártica, por ser una región que exhibe una gran intensidad. Esto permite por lo tanto comparar la importancia de las incertidumbres de medición frente a los rangos típicos de variación de la actividad ondulatoria. La medición por RO GPS no es una medición puntual sino un promedio sobre una gran distancia horizontal y en una dada dirección. Para analizar las consecuencias de este promediado espacial en el estudio de OG se hizo uso de la alta densidad de eventos de RO en el lado Este de la cordillera de los Andes durante los meses iniciales de la misión COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate). Esta zona es conocida por su alta actividad ondulatoria. Se eligieron dos pares de perfiles de temperatura, ambos conteniendo dos radio ocultamientos cercanos en tiempo y espacio. Un par mostró diferencias significativas entre perfiles de temperatura. Se efectuaron simulaciones de mesoescala para entender esta discrepancia. La misma fue atribuida a la presencia de estructuras inhomogéneas en la atmósfera, causadas por OG. La actividad ondulatoria suele cuantificarse mediante el cálculo de la energía potencial (Ep) a través de la integración del cociente entre temperatura de fondo y perturbación (ondas), entre dos altitudes. En este estudio se analizan y cuantifican las contribuciones de diferentes parámetros y variables en la incertidumbres del cálculo de la Ep en la baja estratósfera en perfiles de medición de RO GPS. En particular, se utilizó el método de Monte Carlo para estudiar la incertidumbre en la Ep debida a diferentes distribuciones de errores en la temperatura. Se estudió la dependencia temporal y espacial de la actividad ondulatoria en la baja estratósfera sobre el extremo sur de la Cordillera de los Andes y la Península Antártica. El análisis cubrió los años 2006 a 2011. Se encontraron diferencias significativas entre las actividades mensuales, en concordancia con estudios previos realizados con otros instrumentos y en otros períodos. Las distribuciones de probabilidad de Ep se analizaron mediante tests de Kolmogorov-Smirnov. Dado que las distribuciones de Ep varían según la época del año y no poseen simetría respecto de la media, se propone el uso de la mediana de los valores de Ep como cuantificador de la actividad ondulatoria.

Abstract:
GPS Radio occultation (GPS RO) is a remote sensing technique used for measuring the physical properties of the atmosphere. In the present work, the limitations of RO measurements to evaluate atmospheric gravity wave (GW) activity have been studied. Also, an analysis of the variability range of GW activity applied over the Patagonia and Antarctic Peninsula, is presented. This region has been chosen due to its high activity. This fact allows a comparison between measurement uncertainties and typical ranges of variability of GW activity. A GPS RO measurement is the result of an average over a great horizontal distance in a given direction. In order to analize the impact of this average on the GW studies, it has been taken advantage of the anomalous high density of RO events at the eastern side of the highest Andes Mountains during the initial months of the mission COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate). This zone is known for its high GW activity. Two pairs of RO, both containing two occultations that occurred close in space and time, were chosen. One pair showed significant differences between both temperature profiles. Numerical simulations with a mesoscale model were performed, in order to understand this discrepancy. It has been attributed to the presence of a horizontal inhomogeneous structure caused by GW. GW activity is usually quantified by calculating the potential energy (Ep) through the integration of the ratio of perturbation (waves) and background temperatures between two given altitudes. In this study, the contributions of different parameters and variables to the uncertainty in the calculation of Ep in the lower stratosphere via GPS RO measurements were investigated and quantified. In particular, a Monte Carlo method was used to evaluate the uncertainty that results from different GPS RO temperature error distributions. The seasonal and geographical behaviour of GW activity in the lower stratosphere over the southernmost Andes mountains and their prolongation in the Antarctic Peninsula was studied. The study covered the years 2006 to 2011. Significant variation of monthly activity was found, in agreement with results from other instruments and other periods. Probability distributions of Ep were studied using Kolmogorv-Smirnov tests. As the distributions present monthly variations and are not symmetrical around the mean, the median of the Ep values was proposed as an activity quantifier.

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