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Comparación de Flujos Impulsados por Libración y Precesión: De Respuestas Lineales a Dinámicas de Banda Ancha

Autores: Wu, Ke; Welfert, Bruno D.; Lopez, Juan M.

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2024

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Acceso abierto

Artículo científico
2024

Comparación de Flujos Impulsados por Libración y Precesión: De Respuestas Lineales a Dinámicas de Banda Ancha


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Mecánica

Palabras clave

Liberación
Precesión
Fuerzas del cuerpo
Rotación
Capas de cizallamiento
Haces de ondas

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
La libración y la precesión son diferentes fuerzas corporales que son ubicuas en muchos sistemas de rotación rápida, particularmente en flujos geofísicos y astrofísicos. La libración es una modulación de la magnitud de la rotación de fondo, mientras que la precesión es una modulación de la dirección de la rotación de fondo. Evaluar las consecuencias de estas fuerzas corporales en flujos a gran escala es un desafío. El número de Ekman, la relación entre la escala de tiempo de rotación y la escala de tiempo viscosa que cuantifica la velocidad de rotación, es extremadamente pequeño, lo que lleva a capas de cizallamiento extremadamente delgadas e intensas en los flujos, incluso cuando las amplitudes de las fuerzas corporales son muy pequeñas. Consideramos las consecuencias de la libración y la precesión numéricamente en un contenedor geométricamente simple, un cubo, que se presta a un tratamiento numérico muy eficiente, preciso y robusto, con el eje de rotación pasando a través de vértices opuestos, de modo que todas las paredes del cubo están en ángulos oblicuos con respecto al eje de rotación. Esto resulta en el enfoque geométrico de haces de ondas inerciales que se reflejan en las paredes, donde la densidad de energía de los haces de ondas aumenta junto con la magnitud de su vector de onda. La naturaleza de este enfoque depende de la frecuencia de forzado, pero no de la fuerza corporal. En el entorno inviscido, los haces de ondas forman láminas de vórtices infinitesimalmente delgadas, y su densidad de energía se vuelve ilimitada al enfocarse. Presentamos un trazado de rayos lineales inviscidos para establecer el escenario para el enfoque de los haces de ondas y luego consideramos problemas viscosos en un número de Ekman que es típico de los experimentos de laboratorio de última generación. Comenzamos considerando las respuestas lineales, que están compuestas por capas de cizallamiento viscoso enfocado, cuyos detalles se capturan principalmente a través del trazado de rayos, y soluciones particulares que tienen en cuenta las fuerzas corporales. Estas tienen estructuras espacio-temporales complicadas, que difieren para la libración y la precesión. Aumentar la amplitud de forzado desde cero introduce interacciones no lineales, mejora los efectos de enfoque a través de la inclinación y estiramiento de vórtices cuando las capas de cizallamiento se reflejan en las paredes, y también introduce superarmónicos temporales y un flujo medio. Cuando la magnitud del flujo medio está dentro de un par de por ciento de la magnitud del flujo instantáneo, se producen inestabilidades que rompen las simetrías espacio-temporales. Estas están localizadas en las capas límite oscilatorias donde se concentran las reflexiones e introducen dinámicas de banda ancha en las capas límite, con haces de ondas inerciales adicionales emitidos hacia el interior. Los detalles nuevamente dependen de las especificidades de las fuerzas corporales.

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