Dinámica de partículas en flujos turbulentos bidimensionales

• Autores: Martinovich, Carolina Julieta
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis de grado
• Colaborador/a o director/a de tesis: Cobelli, Pablo Javier
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En este trabajo se estudia la dinámica de un sistema físico que presenta turbulencia bidimensional, a través del análisis del comportamiento de partículas suspendidas en él. Se desarrollaron dos líneas de trabajo, una por variación del tamaño de las partículas dispersadas, y otra por variación de la profundidad del fluido en la región de interés. Para el primer caso se utilizaron partículas de 20, 50 y 100 μm. No presentan una diferencia significativa en su comportamiento para las cantidades estudiadas, excepto en su tendencia a agruparse en clústeres; las partículas de 100 μm permanecen más distantes entre sí gracias a su inercia. Por otro lado, se implementó una herramienta basada en álgebra de trenzas para el cálculo de la entropía topológica del flujo. Esta sólo converge para trayectorias de partículas de 50 μm. Se encontró una manera de adaptar el método tomando en cuenta el tiempo que tarda el sistema en llegar al desorden. Así, se encontró una tendencia en el valor de la entropía en la cual partículas pequeñas generan una entropía de la trenza más alta que partículas grandes. Para el segundo caso el estudio se realizó de manera cualitativa, observando la generación espontánea de estructuras macroscópicas. Se midieron alturas de 0.5 a 20 mm. Tanto las trayectorias de partículas como los campos de velocidad y vorticidad, muestran el mismo desarrollo en la dinámica. Para capas de fluido bajas domina la fricción, por lo que los vórtices mantienen la escala del forzado y su ordenamiento. A medida que se sube en altura, la distribución espacial se desordena, y se logran generar vórtices de escalas mayores.
This work studies the dynamics of a physical system exhibiting two-dimensional turbulence by analyzing the behavior of particles suspended in it. Two lines of work were developed: one by varying the size of the dispersed particles, and the other by varying the depth of the fluid in the region of interest. For the first case, particles of 20, 50, and 100 μm were used. They do not show a significant difference in their behavior for the quantities studied, except in their tendency to cluster; the 100 μm particles remain further apart due to their inertia. On the other hand, a braid theory-based tool was implemented for calculating the topological entropy of the flow. This only converges for 50 μm particle trajectories. A way to adapt the method was found by considering the time it takes for the system to reach disorder. Thus, a trend was found in the entropy value where smaller particles generate higher braid entropy than larger particles. For the second case, the study was conducted qualitatively, observing the spontaneous generation of macroscopic structures. Heights from 0.5 to 20 mm were measured. Both the particle trajectories and the velocity and vorticity fields show the same development in dynamics. For shallow fluid layers, friction dominates, so the vortices maintain the forcing scale and their arrangement. As the height increases, the spatial distribution becomes disordered, and larger-scale vortices can be generated.
Fil: Martinovich, Carolina Julieta. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.