Dinámica de partículas en turbulencia anisótropa y no estacionaria : del análisis fundamental a las aplicaciones geofísicas - Zapata, Florencia Natalia (2025)
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.