Los flujos en planetas como la Tierra se caracterizan por muchas características, como la rotación y la diferencia de temperatura entre el núcleo caliente y la superficie fría. Estos flujos tienen dimensiones muy grandes y es muy difícil investigarlos. Para estudiarlos, Ph.D. El estudiante Matteo Madonia montó un experimento único llamado TROCONVEX, un cilindro giratorio con una diferencia de temperatura entre la parte inferior y la superior, y una altura máxima de 4 metros. TROCONVEX permite a los investigadores explorar nuevos comportamientos que pueden ayudarnos a comprender los flujos planetarios. Madonia defendió con éxito su tesis el 13 de abril de 2022.
Los flujos planetarios, como la atmósfera terrestre o su núcleo exterior, son bastante difíciles de estudiar no solo por su gran proporción, sino también por su complejidad. De hecho, están influenciados por muchos factores: la rotación del planeta, la diferencia de temperatura entre las superficies superior e inferior, la geometría esférica y, a menudo, muchos otros factores como los campos magnéticos o su «planitud».
Matteo Madonia, investigador del grupo de investigación de Fluidos y Flujos del departamento de Física Aplicada, decidió estudiar un modelo simplificado de flujo planetario que toma en consideración solo la alta rotación y la diferencia de temperatura. Sin embargo, incluso esta enorme reducción conduce a un sistema que no puede entenderse completamente.
Caos
Los flujos que están influenciados por una rotación rápida tienen la característica de organizarse en estructuras bien alineadas verticalmente, mientras que los fluidos que se encuentran entre un fondo caliente y un techo frío desarrollan comportamientos muy caóticos. Si uno mezcla estos dos efectos, obtiene una variedad de estados de flujo diferentes que se comportan de manera diferente según el equilibrio entre las dos fuerzas.
Además, para estudiar flujos del tamaño de planetas hay que lograr fuerzas de rotación muy altas, lo cual es muy difícil de hacer simulando numéricamente el flujo y solo es posible con contenedores muy altos.
Es por eso que Madonia diseñó TROCONVEX, un cilindro giratorio muy alto que contiene agua que se calienta desde abajo y se enfría desde arriba. Usando esta configuración, de hasta 4 metros de altura, pudo analizar configuraciones de flujo que antes eran inaccesibles.
Dos enfoques
Mezclar los efectos de la rotación y la diferencia de temperatura, de hecho, crea una variedad de diferentes estados de flujo que deben diferenciarse y describirse. El investigador hizo esto utilizando dos enfoques diferentes: el primero involucró el uso de sondas de temperatura y el segundo involucró mediciones de velocidad.
Con sondas de temperatura pudo analizar la diferencia en la transferencia de calor entre la parte superior e inferior para cada estado, así como también cómo cambia la temperatura a diferentes alturas del cilindro.
Para ello utilizó una configuración especial que le permitía aislar térmicamente el cilindro para evitar fugas de calor por los laterales. Con estas medidas, pudo identificar un estado novedoso nunca antes observado: la llamada turbulencia influida por la rotación (RIT).
Cámaras
Las mediciones de velocidad se realizaron en una configuración transparente, que fue especialmente diseñada para permitir que dos cámaras miraran dentro del cilindro y siguieran el movimiento de algunas partículas que inyectamos en el fluido. Las dos cámaras podrían rastrear el movimiento del flujo y brindar información sobre la velocidad en las tres direcciones especiales.
Con estas mediciones, Madonia pudo caracterizar mejor los diferentes estados de flujo, incluido el novedoso RIT, que presenta una característica interesante: una estructura que consta de cuatro vórtices que llenan la sección del cilindro.
Un análisis más profundo de las mediciones de velocidad no pudo establecer con certeza si esta estructura se genera por la presencia de las paredes laterales o por una autoorganización del flujo, que es típica de los flujos giratorios.
