Dinámica espacio-temporal de flujos turbulentos en presencia de ondas

• Autores: Clark di Leoni, Patricio
• Año de publicación: 2017
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Mininni, Pablo Daniel
• Materia: TURBULENCIA; ONDAS; SIMULACIONES NUMERICAS; FLUJOS GEOFISICOS; FLUJOS CUANTICOS; TURBULENCE; WAVES; NUMERICAL SIMULATIONS; GEOPHYSICAL FLOWS; QUANTUM FLOWS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En un flujo turbulento pueden convivir vórtices, ondas, y un flujo medio. Debido a su complejidad y naturaleza no lineal, identificar cada una de estascomponentes y comprender su rol en la dinámica es un problema abierto. Enesta tesis se propone el uso del espectro espacio-temporal como una formageneral para identificar procesos físicos en un flujo en presencia de ondas. Presentamos espectros espacio-temporales de diversos flujos turbulentos ymostramos como estos permiten cuantificar la amplitud de las ondas en elflujo, y su interacción con vórtices y flujos medios en forma directa. El estudioincluye flujos en ondas de superficie, flujos rotantes, flujos estratificadosy superfluidos. Entre los principales resultados obtenidos a partir del espectroespacio-temporal se destacan: (1) la existencia de un régimen mixto deturbulencia de ondas y solitones en ondas de superficie, (2) la determinaciónde limites de validez para la turbulencia de ondas en flujos rotantes, (3) la detección de corrimiento Doppler y absorción de ondas en capas críticasen turbulencia estratificada, y (4) la detección de una cascada de ondasde Kelvin con posterior emisión de fonones en turbulencia cuántica. Dada lacomplejidad del problema, el estudio de la turbulencia requiere complementarresultados numéricos, experimentales y teóricos. Los resultados mencionadosse obtuvieron en algunos casos usando simulaciones numéricas masivas, y enotros a partir de datos experimentales. A su vez, estos resultados permitieronel desarrollo de dos nuevas herramientas teóricas presentadas en esta tesis: (1) la derivación y posterior aplicación de nuevas ecuaciones para cuantificarla resonancia e interacción no-lineal entre modos en un flujo turbulento, y (2) la extensión del concepto clásico de helicidad hidrodinámica al caso deturbulencia cuántica. Mientras que el primer resultado permitió corroborara partir de simulaciones el rol de las triadas resonantes en flujos turbulentosrotantes predicho por la teoría de turbulencia de ondas, el segundo resultadopermitió vincular la helicidad con la excitación de ondas de Kelvin ensuperfluidos.
Eddies, waves, and mean flows can coexist in a turbulent flow. As a resultof its complexity and non-linear nature, how to identify each of these componentsand understand their role in the dynamics is an open problem. Thisthesis proposes the use of the spatio-temporal spectrum as a general way toidentify physical processes in a flow with waves. We develop the theory ofspatio-temporal spectra of different turbulent flows and show that the spectrumallows quantification of the wave amplitudes, as well as their interactionwith vortices and mean flows. The study includes surface wave flows, rotatingflows, stratified flows, and superfluids. Among the main results obtainedfrom the spatio-temporal spectrum we can mention: (1) the existence of amixed regime of waves and solitons in surface wave turbulence, (2) the quantificationof bounds for the validity of wave turbulence in rotating flows, (3)the detection of Doppler shift and critical layer wave absorption in stratifiedturbulence, and (4) the detection of a Kelvin wave cascade with subsequentemission of phonons in quantum turbulence. Given the complexity of theproblem, the study of turbulence requires using numerics and experiments. The above results were obtained in some cases using massive numerical simulations,and in others using experimental data. In turn, these results allowedthe development of two new theoretical tools also presented in this thesis: (1)the derivation and subsequent application of new equations to quantify resonancesand nonlinear interactions between modes in a turbulent flow, and (2) the generalization of the concept of classical hydrodynamic helicity to thecase of quantum turbulence. While the former result allowed corroborationin simulations of the role of resonant triads in rotating turbulence predictedby wave turbulence theory, the latter allowed us to link the helicity with theexcitation of Kelvin waves in superfluids.
Fil: Clark di Leoni, Patricio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.