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Proyectos

USM estudia el comportamiento de flujos turbulentos en gases o líquidos

FLUJOS TURBULENTOS

Por DR. CARLOS ROSALES

Académico del Departamento de Ingeniería Mecánica

Universidad Técnica Federico Santa María

Investigación analiza su comportamiento desordenado e impredecible en base a modelación computacional y utilizando una serie de técnicas de simulación a grandes escalas.

Desarrollar métodos computacionales que ayuden a comprender el comportamiento de flujos turbulentos presentes en las más diversas situaciones que involucran el movimiento de gases o líquidos, es el principal objetivo de la investigación desarrollada por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María.

La turbulencia fluidodinámica, un problema clásico de la física y que aún no ha podido ser resuelto, se relaciona con el estado de movimiento aparentemente desordenado, caótico e impredecible de cualquier fluido. Este fenómeno existe en todo tipo de flujos, desde la circulación atmosférica global que determina el comportamiento climático, hasta el flujo de sangre en los seres vivos. Y es que cualquier flujo turbulento comprende múltiples escalas de espacio y tiempo, que abarcan un rango desde vórtices de gran tamaño hasta escalas en donde pueda actuar la viscosidad molecular.

Dada la generalidad con la que se presentan flujos turbulentos en todo tipo de circunstancias que nos afectan directamente en nuestra vida, es importante que los ingenieros y científicos puedan contar con métodos para cuantificar y controlar estos efectos. La producción de energía, los motores de combustión interna, la aeronáutica, la industria química, el estudio de dispersión de contaminantes, la meteorología y la medicina, son algunos de los campos que se benefician con la investigación fundamental en turbulencia.

Debido a su complejidad, el problema es intratable solo por análisis matemático, de modo que es preciso recurrir a simulación mediante técnicas numéricas. Aun así, el carácter multi-escala del fenómeno, junto con la naturaleza de la interacción entre tales escalas, hacen que en la mayoría de los casos una simulación numérica directa demande una capacidad de cómputo abrumadoramente mayor que la del más potente supercomputador actual o que se visualice en el futuro.

Por tal razón, el análisis práctico se realiza introduciendo los denominados modelos de turbulencia. Estos modelos buscan reemplazar los efectos de los rangos de escalas menores por relaciones matemáticas adicionales, de manera de acotar el problema al rango de escalas mayores, y de ese modo hacerlo computacionalmente tratable.

Múltiples modelos y enfoques han sido utilizados para estos propósitos, lo cual constituye un área muy activa de investigación contemporánea en mecánica de fluidos. Esta investigación se enmarca en este campo y en lo que se denomina turbulencia sintética y contó con el apoyo de Fondecyt, permitiendo extender las capacidades del método de turbulencia sintética MTLM (por sus siglas en inglés) – desarrollado en conjunto con Charles Meneveau, ex alumno de Ingeniera Civil Mecánica de la USM y profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad Johns Hopkins, Estados Unidos- a casos en donde la turbulencia afecta también a variables como concentración o temperatura.

Estos resultados, divulgados en Physical Review E y en Physics of Fluids, han dado origen a más investigaciones, publicándose recientemente una variante más general de este método, desarrollada en colaboración con el profesor Yi Li de la Escuela de Matemática de la Universidad de Sheffield (Reino Unido).   

 

Por otra parte, un grupo de astrofísica de la Universidad de Delaware (USA) ha publicado recientemente en Astrophysical Journal una extensión del método MTLM a la turbulencia en plasmas, incorporando los efectos de campos magnéticos, y mostrando aplicaciones en estudios del viento solar y transporte de rayos cósmicos. Esto ilustra la amplitud de fenómenos en donde la turbulencia juega un rol preponderante y la necesidad de llegar a contar con una teoría universal sobre la misma.