| Summary: | Uno de los principales factores que modifica el transporte de sustancias en aguas someras
es la presencia de fuertes cambios laterales de la sección transversal, los cuales generan
zonas de recirculación de gran escala que intensifican los procesos asociados a la
dispersión de masa. Además de los efectos físicos inducidos por estas zonas, ellas han
mostrado una importante contribución a la generación de condiciones hidrodinámicas
mejoradas para estimular el crecimiento de la flora y fauna acuática. Estas estructuras del
flujo reciben el nombre genérico de zonas muertas y se pueden formar por modificaciones
naturales o artificiales de la morfología.
En este trabajo se presenta una descripción experimental de la estructura del flujo
en zonas muertas formadas por una secuencia de bloques, para la llamada condición de
flujo emergida. En esta condición de flujo, la cota superior del bloque es mayor a la del
nivel de la superficie de agua y debido a esto el intercambio de masa y momentum ocurre
solamente a través de la capa de corte generada en la interfaz entre la zona muerta y el flujo
principal. Estudios anteriores han mostrado las características horizontales, normalmente
en la superficie, y, debido a esto, la principal contribución de este trabajo es la descripción
de la estructura vertical del flujo. Esta descripción es importante porque provee información
relevante para la comprensión de la condiciones de flujo cercanas al lecho, donde ocurren
gran parte de los procesos ecológicos. Este trabajo también contribuye con la descripción
de las características cuasi-bidimensionales y tri-dimensionales de las zonas muertas, la
identificación de estructuras coherentes, y la influencia de la distancia entre bloques en los
procesos físicos que gobiernan el intercambio de masa y momentum.
Para realizar los experimentos, uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo
de una técnica sinóptica de velocimetría basada en el procesamiento de imágenes. Esta
contribución experimental está basada en nuevas modificaciones de algoritmos para
Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV), y en su integración en un algoritmo de
dos etapas. La nueva contribución es llamada “Integrated Cross-Correlation / Relaxation
Method”, ICCRM, y fue especialmente diseñada con el objetivo de ser una herramienta
flexible para investigar flujos con gradientes de velocidad intensos y condiciones de
sembrado de partículas no homogéneas.
Los resultados experimentales obtenidos de la aplicación del ICCRM al flujo en estudio
muestran que las estructuras formadas en la capa de corte que se produce en la interfaz
entre el flujo principal y la zona muerta impactan periódicamente el bloque de aguas abajo
con una distribución vertical de velocidad caracterizada por una magnitud máxima a media
profundidad. El impacto con el bloque da lugar a un sistema de vórtices de eje horizontal,
paralelo a los bloques, el cual es transportado hacia el interior de la cavidad. El flujo que
penetra a la zona muerta energiza un sistema de circulación horizontal de una o más celdas,
dependiendo de la razón de aspecto analizada (relación entre la longitud de los bloques
y su separación longitudinal), con una estructura vertical bastante uniforme en términos
de la velocidad media. Esto valida la suposición de flujo bidimensional en gran parte de
la región de flujo al interior de la cavidad. Sin embargo, los parámetros representativos de
la turbulencia (esfuerzos de Reynolds, pseudo-energía cinética turbulenta, espectros de energía, etc.) y las estructuras responsables del intercambio de masa entre la zona muerta
y el flujo principal son claramente tri-dimensionales.
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