Remolino (dinámica de fluidos)

Se trata de modelos de turbulencia en los que las tensiones de Reynolds, obtenidas a partir de un promedio de Reynolds de las ecuaciones de Navier-Stokes , se modelan mediante una relación constitutiva lineal con el campo de deformación del flujo medio, como se muestra a continuación:

$${\displaystyle -\rho \langle u_{i}u_{j}\rangle =2\mu _{t}S_{i,j}-{\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}$$

dónde

• ${\displaystyle \mu _{t}}$ es el coeficiente denominado "viscosidad" de turbulencia (también llamado viscosidad de remolino)
• ${\textstyle \kappa ={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\langle u_ {1}u_ {1}\rangle +\langle u_ {2}u_ {2}\rangle +\langle u_ {3}u_ {3}\rangle {\bigr )}}$es la energía cinética turbulenta media
• ${\displaystyle S_{i,j}}$ es la tasa de deformación media

Tenga en cuenta que esa inclusión de${\displaystyle {\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}}$ en la relación constitutiva lineal es requerida por propósitos de álgebra tensorial cuando se resuelven modelos de turbulencia de dos ecuaciones (o cualquier otro modelo de turbulencia que resuelva una ecuación de transporte para ${\displaystyle \kappa }$. ^{[ 7 ]}

La hemodinámica es el estudio del flujo sanguíneo en el sistema circulatorio. El flujo sanguíneo en las secciones rectas del árbol arterial suele ser laminar (alta tensión direccional en la pared), pero las ramificaciones y curvaturas del sistema provocan un flujo turbulento. ^{[ 2 ]} El flujo turbulento en el árbol arterial puede causar diversos efectos preocupantes, como lesiones ateroscleróticas, hiperplasia neointimal posquirúrgica, reestenosis intrastent, fallo de injertos de derivación venosa, vasculopatía del trasplante y calcificación de la válvula aórtica.

Las propiedades de sustentación y resistencia de las pelotas de golf se personalizan mediante la manipulación de hoyuelos a lo largo de su superficie, lo que permite que la pelota viaje más lejos y más rápido en el aire. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Los datos de los fenómenos de flujo turbulento se han utilizado para modelar diferentes transiciones en regímenes de flujo de fluidos, que se utilizan para mezclar completamente fluidos y aumentar las velocidades de reacción en procesos industriales. ^{[ 10 ]}

Las corrientes oceánicas y atmosféricas transportan partículas, desechos y organismos por todo el planeta. Si bien el transporte de organismos, como el fitoplancton , es esencial para la preservación de los ecosistemas, el petróleo y otros contaminantes también se mezclan en el flujo de la corriente y pueden transportar la contaminación lejos de su origen. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Las formaciones de remolinos hacen circular basura y otros contaminantes hacia áreas concentradas que los investigadores están monitoreando para mejorar la limpieza y la prevención de la contaminación. La distribución y el movimiento de los plásticos causados ​​por las formaciones de remolinos en cuerpos de agua naturales se pueden predecir utilizando modelos de transporte lagrangianos. ^{[ 13 ]} Los remolinos oceánicos de mesoescala desempeñan funciones cruciales en la transferencia de calor hacia los polos, así como en el mantenimiento de gradientes de calor a diferentes profundidades. ^{[ 14 ]}

La modelización del desarrollo de remolinos, en relación con la turbulencia y los fenómenos de transporte de sustancias, es vital para comprender los sistemas ambientales. Al comprender el transporte de sólidos particulados y disueltos en flujos ambientales, los científicos e ingenieros podrán formular estrategias de remediación eficientes para eventos de contaminación. La formación de remolinos desempeña un papel fundamental en el destino y el transporte de solutos y partículas en flujos ambientales como ríos, lagos, océanos y la atmósfera. El afloramiento en estuarios costeros estratificados justifica la formación de remolinos dinámicos que distribuyen nutrientes desde debajo de la capa límite para formar plumas. ^{[ 15 ]} Las aguas poco profundas, como las de la costa, desempeñan un papel complejo en el transporte de nutrientes y contaminantes debido a la proximidad del límite superior impulsado por el viento y el límite inferior cerca del fondo del cuerpo de agua. ^{[ 16 ]}

Se sabe que el Atlántico Norte subtropical posee remolinos ciclónicos y anticiclónicos asociados, respectivamente, a altos y bajos niveles de clorofila en la superficie. La presencia de clorofila y sus altos niveles permiten que esta región albergue una mayor biomasa de fitoplancton, además de verse favorecida por áreas con mayores flujos verticales de nutrientes y transporte de comunidades biológicas. Esta zona del Atlántico también se considera un desierto oceánico, lo que genera una interesante paradoja, ya que alberga diversas poblaciones de peces pelágicos de gran tamaño y depredadores ápice . ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

Estos remolinos de mesoescala han demostrado ser beneficiosos para crear una gestión basada en el ecosistema para los modelos de redes tróficas, con el fin de comprender mejor la utilización de estos remolinos tanto por los depredadores ápice como por sus presas. Gaube et al. (2018) utilizaron etiquetas de transmisión de posición o temperatura "inteligentes" (SPOT) y etiquetas de transmisión de archivo satelital emergentes (PSAT) para rastrear el movimiento y el comportamiento de buceo de dos tiburones blancos hembra (Carcharodon carcharias) dentro de los remolinos. Los remolinos se definieron utilizando la altura de la superficie del mar (SSH) y los contornos utilizando la escala de radio basada en la velocidad horizontal. Este estudio encontró que los tiburones blancos bucearon en ambos ciclones, pero prefirieron el anticiclón, que tuvo tres veces más inmersiones que los remolinos ciclónicos. Además, en los remolinos de la Corriente del Golfo, los remolinos anticiclónicos fueron un 57 % más comunes y tuvieron más inmersiones y más profundas que los remolinos de océano abierto y los remolinos ciclónicos de la Corriente del Golfo. ^{[ 21 ]}

Dentro de estos remolinos anticiclónicos, la isoterma se desplazó 50 metros hacia abajo, permitiendo que el agua más cálida penetrara más profundamente en la columna de agua. Este desplazamiento de agua más cálida podría permitir a los tiburones blancos realizar inmersiones más largas sin el costo energético adicional de la termorregulación en los ciclones más fríos. Aunque estos remolinos anticiclónicos resultaron en niveles más bajos de clorofila en comparación con los remolinos ciclónicos, las aguas más cálidas a mayores profundidades podrían permitir una capa mixta más profunda y una mayor concentración de diatomeas, lo que a su vez resulta en mayores tasas de productividad primaria. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Además, las poblaciones de presas podrían estar más distribuidas dentro de estos remolinos, atrayendo a estos tiburones hembra más grandes a alimentarse en esta zona mesopelágica. Este patrón de buceo podría seguir una migración vertical diaria, pero sin más evidencia sobre la biomasa de sus presas dentro de esta zona, estas conclusiones no pueden hacerse solo con esta evidencia circunstancial. ^{[ 21 ]}

La biomasa en la zona mesopelágica aún no se ha estudiado lo suficiente, lo que podría llevar a una subestimación de la biomasa de peces en esta capa. Una medición más precisa de esta biomasa podría beneficiar a la industria pesquera comercial, proporcionándoles zonas de pesca adicionales en esta región. Además, comprender mejor esta región del océano abierto y cómo la extracción de peces en ella puede afectar a esta red trófica pelágica es crucial para las poblaciones de peces y los depredadores ápice que dependen de esta fuente de alimento, así como para elaborar mejores planes de gestión basados ​​en el ecosistema. ^{[ 21 ]}