Simulaci N Directa De Turbulencia En Corrientes De Gravedad Con Efecto Coriolis

Simulación directa de turbulencia en corrientes de gravedad con efecto Coriolis
Direct numerical simulations of gravity currents with Coriolis effect
J.S. Salinas a, M.I. Cantero a, E.A. Dari a

a Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina Centro Atómico Bariloche,Comisión Nacional de Energía Atómica, San Carlos de Bariloche, Río Negro, Argentina
Artículo
1. Introducción
Las corrientes de gravedad (también llamadas corrientes de densidad) son flujos generados por gradientes de presión horizontales resultantes del efecto de la gravedad sobre fluidos de diferente densidad. Estos flujos se manifiestan como una corriente horizontal de fluido liviano por encima deun fluido pesado, o como una corriente de fluido pesado debajo de un fluido liviano. Estos fenómenos naturales son importantes en el transporte de masa, cantidad de movimiento y energía; a grandes escalas, que derivan en altos números de Reynolds, son altamente turbulentos y presentan un amplio rango de escalas temporales y espaciales.
Las corrientes de gravedad están presentes en la naturalezaen muchas situaciones y, en muchos de los casos de interés, son producidas por pequeñas diferencias de densidad. En la atmósfera, por ejemplo, la mayoría de las ráfagas intensas asociadas con las tormentas son causadas por la llegada de una enorme corriente de gravedad de aire más frío. Muchas veces estas corrientes se pueden identificar por la presencia de partículas de arena y polvo que han sidosuspendidas de la superficie terrestre por los fuertes vientos. Las avalanchas de nieve en las montañas son corrientes de gravedad en las cuales la diferencia de densidad se debe a la suspensión de partículas de nieve en el aire. Debido a los inmensos daños que pueden provocar estos fenómenos, en la actualidad existen centros de investigación dedicados especialmente al estudio de este tipoparticular de corrientes de gravedad. Otro ejemplo de corrientes de gravedad es la marea negra. Un derrame de petróleo de un barco produce una corriente de gravedad de este fluido sobre la superficie marítima.
En las últimas décadas se han realizado gran cantidad de trabajos de simulación. Se han llevado a cabo estudios basados en simulaciones numéricas bidimensionales y tridimensionales con el objetivode explorar la dinámica de las corrientes de gravedad2-11. Se han realizado simulaciones tanto en configuraciones planas7,12-15 como cilíndricas12,13. Simulaciones tridimensionales de alta resolución fueron realizadas por Cantero et al16 para corrientes de gravedad cilíndricas, y por Cantero et al17para corrientes de gravedad planas.
Trabajos como los de Cenedese y Adduce18 y Marino etal19 estudiaron las corrientes de gravedad por medio de experimentos de laboratorio.
Por su parte, los trabajos de Fannelop y Waldman20 y Hoult21 estudiaron el comportamiento de corrientes de gravedad mediante modelos teóricos simples. Estos modelos predicen la velocidad del frente durante las fases de hundimiento, inercial y viscosa. En la fase de hundimiento, el frente se mueve a una velocidad prácticamenteconstante (uF » cte). La teoría hidráulica para corrientes de gravedad sin efectos de Coriolis propone uF » 0,522,23. Basándose en experimentos de laboratorio, Huppert y Simpson24 reportaron uF » 0,45, y Cantero et al12, basado en simulaciones directas de turbulencias y resultados experimentales, ha reportado uF = 0,45. Tras la fase de hundimiento, se produce la transición a la fase inercial. Elcomportamiento asintótico de la corriente en la fase inercial se ha establecido como21,24-26:


Aquí, uF, x0 y h0 son la velocidad del frente en la dirección de propagación de la corriente, la altura inicial de la corriente y el largo inicial, respectivamente. La diferencia entre las teorías se encuentra en la constante ξp. En nuestro estudio utilizamos el valor ξp = 1,47 propuesto por Cantero...