Dinámica de partículas en turbulencia anisótropa y no estacionaria : del análisis fundamental a las aplicaciones geofísicas

• Autores: Zapata, Florencia Natalia
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Mininni, Pablo Daniel
• Materia: TURBULENCIA; FLUJOS MULTIFASE; PARTICULAS; SIMULACIONES NUMERICAS DIRECTAS; CLUSTERING; ACUMULACION PREFERENCIAL; ELECTRIFICACION; PARTICLE LADDEN FLOWS; MULTIPHASE FLOWS; PARTICLE; CLUSTERING; DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS; PREFERENTIAL CONCENTRATION; ELECTRIFICATION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La turbulencia multifase está presente en numerosos sistemas naturales y tecnológicos. Procesos como la formación de nubes, la dispersión de contaminantes, la actividad eléctrica en columnas volcánicas y el transporte de material en la atmósfera son manifestaciones de una misma problemática: la dinámica de partículas inmersas en flujos turbulentos. En estos sistemas, el acoplamiento entre las partículas y el flujo regula procesos como la iniciación de la lluvia, el transporte de aerosoles y la electrificación. Si bien la comunidad ha desarrollado un entendimiento profundo de la turbulencia isótropa y homogénea (HIT), los sistemas reales suelen presentar anisotropías e inhomogeneidades; además, la turbulencia se acopla con otros procesos físicos, como la estratificación o las transiciones de fase, y los forzados varían en el tiempo y generan estructuras coherentes, introduciendo no estacionariedad, cuyos efectos a menudo se pasan por alto. Cuando las partículas poseen inercia, su tiempo de respuesta filtra las fluctuaciones más rápidas del flujo y condiciona su organización espacial. De esta interacción emerge un fenómeno fundamental: la acumulación preferencial. Lejos de distribuirse homogéneamente, las partículas se concentran en regiones específicas del flujo, lo que altera las tasas de colisión y afecta procesos como la sedimentación y las transiciones de fase. Este fenómeno ha sido caracterizado en turbulencia isótropa y homogénea (HIT) pero en condiciones más realistas, con anisotropía, inhomogeneidad o no estacionariedad, su comprensión sigue siendo más limitada. Esta tesis estudia cómo las desviaciones de HIT que se observan en la naturaleza afectan la distribución espacial y temporal de partículas inerciales. Mediante simulaciones numéricas directas, contrastadas con datos experimentales y mediciones in situ, se realizaron estudios en HIT y en flujos progresivamente más realistas, introduciendo y aislando rupturas de simetría espaciales y temporales. Se analizaron simulaciones del flujo de Taylor-Green (TG) y datos de su análogo experimental, el flujo de von Kármán (VK), ambos con anisotropía e inhomogeneidad espaciales. También se estudiaron flujos no estacionarios: uno con forzado estacionario pero con intensidad turbulenta que oscila de manera espontánea (CRC), y otro en el que se modula temporalmente la energía del sistema a través de la amplitud del forzado (mHIT). La dinámica de millones de partículas se modela en estos flujos mediante un modelo efectivo mínimo, y su organización espacial se cuantifica principalmente con teselados de Voronoi tridimensionales, comparados contra una referencia aleatoria, junto con otras herramientas adaptadas a la geometría del dominio. Los datos experimentales, además de validar el modelo, permitieron analizar sesgos como el número de partículas, las condiciones de contorno y el muestreo preferencial a gran escala mediante comparaciones entre TG y VK. En los flujos no estacionarios se observan episodios de acumulación extrema, lo que evidencia que los promedios temporales pueden subestimar las tasas de encuentro y de colisión de partículas. Finalmente, se emplea este marco en un caso geofísico: se presenta un modelo de pluma volcánica húmeda en un flujo con estratificación estable que permite tratar de manera independiente la humedad de la atmósfera subyacente y la de la fuente. Con el aumento de la humedad se observa un aumento de la altura de la nube, así como una reorganización de las estructuras turbulentas que correlacionan espacialmente con zonas de alta densidad de partículas, con implicancias directas en las tasas de colisión y en posibles mecanismos de electrificación. En esta tesis se presentan herramientas robustas para cuantificar la organización espacial de partículas en flujos multifase reales, se incorpora una evaluación sistemática de sesgos experimentales, se demuestra que la no estacionariedad es una fuente de acumulación extrema con impacto directo en las estimaciones de tasas de colisión y se caracteriza cómo la anisotropía y la inhomogeneidad modulan la topología del flujo y del agrupamiento de partículas. Los resultados constituyen un aporte original al entendimiento del papel que desempeñan la estructura y la evolución de la turbulencia en el comportamiento de partículas inerciales, y ofrecen un marco para interpretar observaciones in situ de flujos turbulentos reales y orientar modelos más detallados.
Multiphase turbulence is present in numerous natural and industrial systems. Processes such as cloud formation, pollutant dispersion, electrical activity in volcanic plumes, and the transport of mass and particles in the atmosphere are manifestations of the same overarching problem: the dynamics of particles immersed in turbulent flows. In these systems, coupling between particles and the flow regulates processes such as the initiation of rainfall, the transport of aerosols, and electrification. Although the community has developed a deep understanding of homogeneous and isotropic turbulence (HIT), real systems typically exhibit anisotropy and inhomogeneity; moreover, turbulence couples with other physical processes, such as stratification or phase transitions, and the forcing varies in time and generates coherent structures, introducing nonstationarity whose effects are often overlooked. When particles have inertia, their response time filters out the fastest flow fluctuations and conditions their spatial organization. A fundamental phenomenon emerges from this interaction: preferential concentration. Rather than being uniformly distributed, particles concentrate in specific regions of the flow, altering collision rates and affecting processes such as sedimentation and phase transitions. This phenomenon has been characterized in HIT, but under more realistic conditions featuring anisotropy, inhomogeneity, or nonstationarity, its understanding remains more limited. This thesis investigates how deviations from HIT observed in nature affect the spatial and temporal distribution of inertial particles. Using direct numerical simulations, contrasted with experimental data and in situ measurements, we conducted studies in HIT and in progressively more realistic flows, introducing and isolating spatial and temporal symmetry breakings. We analyzed simulations of the Taylor-Green (TG) flow and data from its experimental analogue, the von Kármán (VK) flow, both exhibiting spatial anisotropy and inhomogeneity. We also examined nonstationary flows: one with stationary forcing but with turbulent intensity that oscillates spontaneously (CRC), and another in which the systems energy is modulated in time through the forcing amplitude (mHIT). The dynamics of millions of particles in these flows are modeled with a minimal effective model, and their spatial organization is quantified primarily with three-dimensional Voronoï tessellations, compared against a random reference, together with other tools adapted to the domain geometry. Beyond validating the model, the experimental data enabled an analysis of biases related to the particle number, boundary conditions, and large-scale preferential sampling through comparisons between TG and VK. In the nonstationary flows we observe episodes of extreme accumulation, showing that time averages can underestimate encounter and collision rates of particles. Finally, this framework is applied to a geophysical case: we present a model of a moist volcanic plume in a stably stratified flow that treats the humidity of the background atmosphere and that of the source independently. We observe an increase in plume height with increasing water content, as well as a reorganization of turbulent structures that are spatially correlated with regions of high particle number density, with direct implications for collision rates and possible electrification mechanisms. This thesis presents robust tools to quantify the spatial organization of particles in real multiphase flows, incorporates a systematic assessment of experimental biases, demonstrates that nonstationarity is a source of extreme accumulation with a direct impact on collision-rate estimates, and characterizes how anisotropy and inhomogeneity modulate the topology of both the flow and particle clustering. The results constitute an original contribution to understanding the role played by the structure and temporal evolution of turbulence in the behavior of inertial particles, and offer a framework for interpreting in situ observations of real turbulent flows and for guiding more detailed models.
Fil: Zapata, Florencia Natalia. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.