Flujos estratificados
El flujo en muchos fluidos varía con la densidad y depende de la gravedad. Debido a que el fluido con menor densidad siempre está por encima del fluido con mayor densidad. Los flujos estratificados son muy comunes, como el océano de la Tierra y su atmósfera. [1]
Un fluido estratificado puede definirse como el fluido con variaciones de densidad en la dirección vertical. Por ejemplo, aire y agua; ambos son fluidos y, si los consideramos juntos, pueden verse como un sistema fluido estratificado. Las variaciones de densidad en la atmósfera afectan profundamente el movimiento del agua y el aire. Los fenómenos de las olas en el flujo de aire sobre las montañas y la aparición de smog son ejemplos del efecto de estratificación en la atmósfera. Cuando se perturba un sistema de fluidos que tiene una condición en la que la densidad del fluido disminuye con la altura, entonces la gravedad y la fricción restablecen las condiciones no perturbadas. Si por el contrario el fluido tiende a ser estable si la densidad disminuye con la altura. [ aclaración necesaria ] [2]
Se sabe que el flujo subcrítico de un fluido estratificado que pasa por una barrera produce movimientos aguas arriba de la barrera. El flujo subcrítico se puede definir como un flujo para el cual el número de Froude basado en la altura del canal es menor que 1/π, de modo que estarían presentes una o más olas estacionarias a sotavento . Algunos de los movimientos aguas arriba no se descomponen con la distancia aguas arriba. Estos modos ' columnares ' tienen frecuencia cero y una estructura sinusoidal en la dirección del gradiente de densidad; conducen efectivamente a un cambio continuo en las condiciones aguas arriba. Si la barrera es bidimensional (es decir, de extensión infinita en la dirección perpendicular al flujo aguas arriba y la dirección del gradiente de densidad), no viscosalas teorías muestran que la longitud de la región aguas arriba afectada por los modos columnares aumenta sin límite cuando t->infinito. Sin embargo, la viscosidad distinta de cero (y/o la difusividad) limitará la región afectada, ya que las amplitudes de onda decaerán lentamente. [3]
La mezcla turbulenta en flujos estratificados se describe mediante la eficiencia de mezcla. Esta eficiencia de mezcla compara la energía utilizada en la mezcla irreversible, aumentando la energía potencial gravitacional mínima que se puede mantener en el campo de densidad, con el cambio total en energía mecánica .durante el proceso de mezcla. Puede definirse como una cantidad integral, calculada entre las condiciones inertes inicial y final o como una fracción del flujo de energía para mezclar y la potencia en el sistema. Estas dos definiciones pueden dar valores diferentes si el sistema no está en estado estacionario. La eficiencia de la mezcla es especialmente importante en oceanografía, ya que la mezcla es necesaria para mantener la estratificación general en un océano en estado estacionario. La cantidad total de mezcla en los océanos es igual al producto de la entrada de energía al océano y la eficiencia media de mezcla. [4]
Wallis y Dobson (1973) estiman su criterio con observaciones de transición que denominan “Slugging” y señalan que empíricamente el límite de estabilidad se describe mediante
