Sobre la disipación de energía cinética turbulenta asociada con olas que aún no rompen

• A.O. Hernández Olivares ^[1] ; F.J. Ocampo Torres ^[2]
  1. [1] Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada. México
  2. [2] CEMIE Océano A.C.
• Localización: Revista Mexicana de Física, ISSN-e 0035-001X, Vol. 68, Nº. 5, 2022, págs. 821-835
• Idioma: español
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    La disipación de energía cinética turbulenta es una magnitud esencial en el estudio de la turbulencia en fluidos. Particularmente, en la transferencia de la energía turbulenta desde grandes a pequeñas escalas y en la determinación de su estado de equilibrio y estacionalidad. Este trabajo, tiene el propósito de entender la turbulencia generada por olas que aún no rompen a partir del análisis de la disipación de energía cinética turbulenta. Diferentes grupos de olas monocromáticas con distinta pendiente ξ (0.012 ≤ ξ ≤ 0.273), se generaron mecánicamente en un laboratorio, donde mediante un dispositivo acústico (Vectrino Profiler, Nortek), se midieron y perfilaron las componentes de las velocidades orbitales asociadas a olas que aún no rompen. A partir del subrango inercial identificado en los espectros de potencia de las componentes turbulentas u′(t, z) y w′(t, z), se cuantificó la tasa de disipación de energía cinética turbulenta ε_(u′)(z) y ε_(w′)(z), respectivamente. Se encontró que la magnitud de ε_(u′)(z) y ε_(w′)(z) aumenta conforme mayor ξ en las olas y que conforme mayor z, ε tiende a ser invariante ante rotaciones de eje (ε_(u′)(z) ≈ ε_(w′)(z)). Se identificó que la mayoría de los perfiles ε_(u′)(z) ∼ z^(n1) y ε_(w′)(z) ∼ z^(n2), corresponden a una capa logarítmica atípica (n_(1), n_(2) < −1) y que al aumentar ξ disminuye (aumenta) el valor del exponente n_(1)(n_(2)). Por último, se introdujo un término de producción de turbulencia ε_(wave) relativo a las velocidades orbitales en el movimiento de olas sin rompiente. A diferencia de otros términos de producción de turbulencia o aproximaciones, ε_(wave) reproduce adecuadamente los valores de ε_(u′)(z) y ε_(w′)(z) independientemente de ξ, con lo que se establece que el corte en la vertical de las velocidades orbitales es el mecanismo generador de turbulencia en un fluido bajo olas que aún no rompen.

  • English

    The turbulent kinetic energy dissipation is an essential quantity in the study of turbulence in fluids. In particular, on the transference of turbulent energy from large to small scales and determining its state of equilibrium and stationarity. This work has the purpose of understanding turbulence generation by non-breaking waves from turbulent kinetic energy dissipation analysis. Different groups of nonbreaking monochromatic waves with different slopes ξ (0.012 ≤ ξ ≤ 0.273), were mechanically constructed in a laboratory, whereby an acoustic device, the wave orbitals velocities were measured in various depths. Considering the inertial subrange in the power spectrum of components of turbulence velocity u′(t, z) and w′(t, z), a turbulent kinetic energy dissipation ε_(u′)(z) and ε_(w′)(z) was quantified, respectively. It was detected that the magnitude of both ε_(u′)(z) and ε_(w′)(z) increases with the wave slope ξ, and they are invariant to axis rotation (ε_(u′)(z) ≈ ε_(w′)(z)), especially for great values ofz. It was distinguished that most of the profiles ε_(u′)(z) ∼ z^(n1) and ε_(w′)(z) ∼ z^(n2) agree with an a typical logarithmic layer (n_(1), n_(2) < −1) and that increasing ξ decreases (increase) exponent values n_(1)(n_(2)). Finally, a term of the turbulence production ε_(wave) was introduced, relative to nonbreaking wave orbitals velocities. Unlike other turbulence production terms or approximations, ε_(wave) adequately reproduces the values of ε_(u′)(z) and ε_(w′)(z) regardless of ξ, which established that the wave orbitals velocities shear is the generator mechanism of turbulence in a fluid under nonbreaking waves.