Ciencias de la Tierra (plan 2011) 2018-1

Obligatorias de Orientación, Taller de Investigación en Ciencias Atmosféricas I

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE INTERACCIONES EN INTERFACES

Justificación

El grupo de profesores que propone este taller se dedica tanto a la investigación como a la docencia en fluidos. Está compuesto por la coordinadora del Taller de Hidrodinámica y Turbulencia y varios estudiantes de posgrado, que son profesores de las licenciaturas de Física, Ciencias de la Tierra y Física Biomédica.

Espacio físico: Taller de Hidrodinámica y Turbulencia

Los estudiantes que se inscriban en este taller de investigación, realizarán su trabajo en el Taller de Hidrodinámica y Turbulencia que se encuentra en el Edificio Tlahuizcalpan de la Facultad de Ciencias, los días Martes y Jueves de 9 am a 12 pm. En este espacio, estudiantes de varios cursos de las licenciaturas de Física, Ciencias de la Tierra y Física Biomédica hacen proyectos y toman clases.

Este Taller se ha especializado en el uso de técnicas ópticas cuantitativas y cualitativas como la difusión Rayleigh, la velocimetría por imágenes de partículas, la visualización por shadowgraph y schlieren. Se han implementado dos técnicas novedosas, la velocimetría por sombras de partículas y el Schlieren con un Fondo de Referencia (PSV y BOS por sus siglas en inglés respectivamente). Las técnicas se han utilizado para estudiar fenómenos tan diversos como el patrón de ondas de choque en flujos supersónico, la dinámica de una gota de alcohol bencílico en un medio estratificado de agua y agua con sal, la propagación de ondas en medio anisotrópicos y la propagación de semillas en el viento. En todos los casos existe una interfaz, ya sea entre dos fluidos, entre un fluido y un sólido o entre zonas con cambios bruscos de densidad.

Se cuenta entonces con el espacio físico, el equipo y el material adecuados para montar experimentos simples pero controlados. Además, se tiene una vasta experiencia en el tratamiento de señales tanto a partir de señales temporales como de imágenes.

El primer tema que se propone en este momento para estudiantes de la licenciatura en Ciencias de la Tierra es el del estudio de un vórtice en la interfaz agua-aire que está relacionado con la interacción atmósfera océano.

Propuesta de Trabajo: Estudio experimental de “medios vórtices” en la interfaz agua-aire

Un vórtice toroidal o de anillo, es un volumen de fluido cuyas líneas de corriente giran alrededor de un eje en forma de anillo. Tiene además un movimiento traslacional, perpendicular al eje, inducido por la rotación. Puesto que un vórtice no puede terminarse en medio del espacio, existen vórtices semi-toroidales que empiezan y terminan en la interfaz del medio. Un tema de interés, es la existencia de vórtices toroidales en la interfaz atmósfera-océano. Se han visualizado vórtices semi-toroidales en albercaspero no es claro qué sucede exactamente en la interfaz.

Los vórtices generados por un flujo detrás de un cilindro han sido ampliamente estudiados. La separación de las líneas de corriente debido a la presencia de un gradiente adverso de presión, forma unos vórtices detrás del cilindro. A partir de cierta velocidad, los vórtices se separan a una frecuencia proporcional a la velocidad del flujo.

Los vórtices semi-toroidales han sido menos estudiados, aunque Lamb (1932) y Taylor (1953) han propuesto una serie de ecuaciones para describirlos. Se pueden crear en el laboratorio moviendo un disco de manera perpendicular a su eje en la superficie de un líquido, y luego extraerlo repentinamente. Debido a la separación de las líneas de corriente, los vórtices que se forman detrás del plato pueden relacionarse con las características del plato y de su movimiento. , Las propiedades del vórtice pueden relacionarse con las características del disco y su movimiento.

Se ha encontrado a este tipo de vórtices en la zona de rompimiento de una ola en la línea de costa (Peregrine, 1999; Pizzo y Melville, 2013), cuya formación se asocia con la circulación de las corrientes oceánicas subyacentes y el rompimiento, el cual genera turbulencia y posteriormente un vórtice inducido por ésta, cuyo impulso necesario para crearlo se puede relacionar con su circulación.

Pizzo y Melville (2013) propusieron una relación de circulación generada por la ruptura superficial de la onda de gravedad en términos de las variables que caracterizan a la onda:

Objetivo general: Realizar un estudio experimental de la formación de estos vórtices, de manera controlada y repetible, buscando relacionar los resultados con la teoría existente de vórtices completos.

Metodología: En el primer semestre el estudiante hará, primero, una revisión bibliográfica de la literatura pertinente, incluyendo la de los cursos (Kundu& Cohen y Drazin & Reid) También construirá un dispositivo que permita la generación controlada de estos vórtices. Deberá determinar la repetibilidad del experimento, implementar técnicas de visualización cualitativas como tinturas, métodos ópticos no intrusivos como (shadowgraph y schlieren). Podrá caracterizar los vórtices obtenidos en términos de su diámetro y relacionarlas con el movimiento del generador.

Podrá iniciar el aprendizaje de técnicas cuantitativas como Velocimetría por Imágenes de Partículas, Velocimetría por Sombras de Partículas o Schlieren con Fondo como Referencia (PIV, PSV y BOS por sus siglas en ingles respectivamente).

Para entender las técnicas de visualización, el estudiante deberá revisar sus conocimientos de óptica y electromagnetismo. También deberá reforzar sus conocimientos sobre el análisis de datos y aprender algunas técnicas de tratamiento de imágenes.

Para el primer semestre se espera obtener:

· Un dispositivo experimental que permita generar medios vórtices de diferentes diámetros y velocidades traslacionales de manera controlada en un intervalo en el que el número de Reynolds sea bajo (flujo laminar). Se podrá determinar el rango de números de Reynolds para el cual los vórtices son estables.

Para el segundo semestre se desea estudiar estos vórtices utilizando la técnica cuantitativa que el estudiante haya escogido, y hacer una caracterización en términos de los campos de velocidad y vorticidad. Se podrá describir el tipo de inestabilidad que se presenta primero.

Para el segundo semestre se espera obtener:

· Participación en el Congreso Nacional de la división de Dinámica de Fluidos.

· Elaboración de un artículo donde se presenten los resultados de la investigación.

· Elaboración de tesis.

Forma de Evaluación:

· Reporte semestral de actividades (incluye presentación de avances a lo largo del semestre por lo menos 3 presentaciones): 70%

· Bitácora (incluye resultado de investigaciones): 30%

Asistencia obligatoria del 80%

Referencias

1. Akhmetov, D. G. Vortex Rings. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1st edition, 2009. ISBN 3642050158, 9783642050152.

2. Drazin & Reid, Hydrodynamic Stability, Cambridge University Press, 2^nd edition, 2004

3. Kundu & Cohen, Fluid Mechanics, Academic Press, 2nd Edition, 2002.

4. Lamb, H. 1932 Hydrodynamics. Cambridge University Press.

5. Peregrine, D. H. 1999 Large-scale vorticity generation by breakers in shallow and deep water. Eur. J. Mech. (B/Fluids) 18 (3), 403–408.

6. Pizzo, N. E. & Melville, W. K. 2013 Vortex generation by deep-water breaking waves. J. Fluid Mech. 734, 198–218.

7. Science vlogger Physics Girl

8. Taylor, G. I. 1953 Formation of a vortex ring by giving an impulse to a circular disk and then dissolving it away. J. Appl. Phys. 24 (1), 104.

Otros temas de Tesis posibles en el Taller:

Para la licenciatura en Ciencias de la Tierra, los temas que se pueden ofrecer por el momento para la realización de tesis además del antes mencionado son:

· Estudio experimental de dispersión de partículas en la capa límite terrestre con diferentes rugosidades. (Orientación: Atmosféricas). En este trabajo se propone el estudio de dispersión de semillas con diferentes geometrías. Abarcando el estudio del arrastre, turbulencia y capa límite turbulenta. Este estudio sería la continuación de otro que ya se lleva a cabo. Se podrían estudiar otras partículas de interés.

· Estudio de propagación de ondas en medios estratificados. (Orientación: Acuáticas). Se propone el estudio de la propagación de ondas en un medio estratificado agua-agua salada, o dos medios muy diferentes. Esto se haría en colaboración con el Laboratorio de Acústica. Es de particular interés para estudios de sonar y de la comunicación de algunos mamíferos en el océano. También es posible colaborar con un laboratorio de la Secretaría de marina instalado en Veracruz, ya que cuentan con una alberca anecóica.