Caracterización de la distancia de transición de régimen laminar a turbulento en capas límite convectivas

Resumen

El objetivo de la presente tesis es realizar un estudio experimental sobre la transición a régimen turbulento en la convección natural sobre superficies calientes respecto al aire que las rodea, e inclinadas respecto de la vertical. La transición se ha detectado mediante la medición de la velocidad, utilizando anemometría de hilo caliente. Los experimentos han mostrado que la distancia -desde el borde de ataque- que define el nacimiento de la transición depende del ángulo de inclinación de la superficie, y del incremento de temperatura respecto del aire circundante. Todo ello se puede agrupar en una correlación entre el número de Grashof y el número de Reynolds (según se definirán a lo largo de la tesis). Se ha diseñado una instalación que permite realizar dichos experimentos. También se ha definido el procedimiento básico a seguir en los ensayos. Uno de los principales problemas que aparecen en los telescopios solares con base en la Tierra tiene que ver con los problemas de degradación de la imagen debido a la capa límite que se forma en la proximidad del espejo cuya cara está orientada (y calentada) por el Sol. Cuando estas superficies están a mayor temperatura que el aire que las rodea, y están inclinadas, el fluido se mueve sobre ellas debido a convección, y se forma una capa límite térmica. En las primeras etapas, esta capa límite es laminar, pero tras una cierta distancia comienzan a aparecer brotes de turbulencia, que desencadenan la transición a régimen turbulento. Más allá, el flujo acabará siendo totalmente turbulento. La mayor parte de la degradación de las imágenes en los telescopios tiene su origen en una capa muy delgada, pero de origen muy turbulento, sobre la superficie. Este efecto es bastante conocido y se denomina mirror seeing (distorsión óptica) producidos por la no-homogeneidad en el aire a lo largo de la trayectoria óptica. El índice de refracción del aire cambia debido a la no-uniformidad de forma que el frente de onda incidente en el espejo se distorsiona de forma aleatoria. Por tanto, esta distorsión es el resultado de la convección natural sobre la superficie del espejo, que está más caliente que el aire que lo rodea. El efecto se genera en la región donde las fluctuaciones de temperatura son las mayores y a la vez, con mayor variabilidad; esto es, en la capa conductiva viscosa. Debido a su influencia en la degradación de las características de los telescopios ópticos, el efecto de esta distorsión óptica (¿mirror seeing¿) debe estudiarse de forma teórica y experimental. Con el objetivo de minimizar el efecto de esta distorsión, el flujo de aire sobre el espejo debe ser laminar, y por tanto, predecible. De esta forma, una parte del estudio de viabilidad térmica de un telescopio consistirá en determinar si el flujo convectivo será laminar o turbulento; en este último caso, será necesario enfriar la superficie del espejo, para reducir la diferencia de temperatura entre éste y el aire, y mantener el régimen laminar. Debe ser tenido en cuenta que el efecto de la distorsión óptica es mucho más importante en telescopios solares, por el hecho de que su espejo primario está orientado directamente al Sol, que calentará la superficie del mismo de forma sustancial; de ahí el interés de determinar cuándo se produce la transición de la laminar a turbulento, en una superficie inclinada caliente. Esta información permitirá mejorar el diseño, evitando el régimen turbulento o al menos prediciendo los efectos en la zona en que se verán afectados. Obviamente, existen muchos otros problemas térmicos en telescopios solares, como las deformaciones geométricas producidas por el calentamiento. En este caso, sólo se estudia la distorsión óptica. A lo largo de las últimas décadas, la transición en superficies inclinadas ha sido ampliamente estudiada por múltiples autores. El mecanismo de la convección natural es bien conocido, y sin embargo, las complejidades del movimiento del fluido traen como consecuencia que sea muy difícil obtener soluciones analíticas, a menos que las ecuaciones se resuelvan bajo determinadas simplificaciones, con la consiguiente pérdida de generalidad. En esta tesis, se presenta un conjunto experimental diseñado para la determinación de la aparición de la turbulencia, en convección natural, en superficies calientes inclinadas. Se ha enfocado el estudio en el nacimiento de la turbulencia, y no en los mecanismos de transferencia de calor. El nacimiento de la turbulencia se ha considerado que tendrá lugar cuando las perturbaciones de la velocidad (medidas a través de la intensidad de turbulencia) comienzan a crecer. La amplificación de la desviación típica de las fluctuaciones de la velocidad ha sido considerada como una indicación de la aparición de la turbulencia.