En 1942, Ludwig Prandtl, considerado el padre de la aerodinámica moderna, publicó "Führer durch die Strömungslehre", el primer libro de su tiempo sobre mecánica de fluidos y traducido al inglés del idioma alemán en 1952 como "Essentials of Fluid Mechanics""El libro tuvo un éxito único de tal manera que los estudiantes de Prandtl continuaron manteniendo y desarrollando el libro con nuevos hallazgos después de su muerte. Hoy, el trabajo está disponible bajo el título revisado" Prandtl - Fundamentos de la mecánica de fluidos ", como una versión ampliada y revisada.versión del libro original con contribuciones de investigadores líderes en el campo de la mecánica de fluidos.
A lo largo de los años, las últimas tres páginas del libro original de Prandtl, centradas en los vientos de las montañas y los valles, han recibido cierta atención de la comunidad de investigación meteorológica, pero la comunidad de mecánica de fluidos ha pasado por alto en gran medida las páginas específicas.el contenido y las soluciones matemáticas exactas han desaparecido en la versión actual ampliada del libro, pero hoy, en la era de las supercomputadoras, Inanc Senocak, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Facultad de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, está encontrando nuevas ideasen el trabajo original de Prandtl, con importantes implicaciones para la predicción del clima nocturno en terrenos montañosos.
Los doctores Senocak y Cheng-Nian Xiao, investigador postdoctoral en el laboratorio del Dr. Senocak, recientemente escribieron un artículo titulado "Estabilidad del modelo de Prandtl para flujos de pendiente catabáticos", publicado en el Revista de mecánica de fluidos . Los investigadores utilizaron tanto la teoría de la estabilidad lineal como las simulaciones numéricas directas para descubrir, por primera vez, inestabilidades de fluidos en el modelo de Prandtl para flujos de pendiente catabática.
Los flujos de la pendiente catabática son vientos impulsados por la gravedad comunes sobre grandes capas de hielo o durante la noche en las laderas de las montañas, donde el aire frío fluye cuesta abajo. Comprender esos vientos es vital para predicciones confiables del clima, que son importantes para la calidad del aire, la aviación y la agricultura. PeroLa complejidad del terreno, la estratificación de la atmósfera y la turbulencia de los fluidos dificultan el modelado por computadora de los vientos alrededor de las montañas. Dado que el modelo de Prandtl no establece las condiciones para que el flujo de una pendiente se vuelva turbulento, esa deficiencia dificulta, por ejemplo,predecir el clima para el área alrededor de Salt Lake City en Utah, donde las inversiones prolongadas del área crean un ambiente desafiante para la calidad del aire.
"Ahora que tenemos supercomputadoras más potentes, podemos mejorar la complejidad del terreno con mejores resoluciones espaciales en el modelo matemático", dice el Dr. Senocak. "Sin embargo, los modelos numéricos de predicción del clima todavía hacen uso de modelos simplificados que tienense originó en un momento en que la potencia informática era insuficiente "
Los investigadores descubrieron que si bien el modelo de Prandtl es propenso a inestabilidades fluidas únicas, que emergen en función del ángulo de la pendiente y un nuevo número adimensional, han denominado el parámetro de perturbación de estratificación como una medida de la perturbación de la estratificación de fondo de laatmósfera debido al enfriamiento en la superficie. El concepto de números adimensionales, por ejemplo el número de Reynolds, juega un papel importante en las ciencias térmicas y de fluidos en general, ya que capturan la esencia de los procesos competitivos en un problema.
Una implicación importante de su hallazgo es que, para un fluido dado como el aire, la estabilidad dinámica de los flujos de la pendiente catabática no puede determinarse simplemente por un solo parámetro adimensional solo, como el número de Richardson, como se practica actualmente en la meteorología ycomunidad de dinámica de fluidos. El número de Richardson expresa una relación de flotabilidad a la cizalladura del viento y se usa comúnmente en la predicción del clima, investigando corrientes en océanos, lagos y embalses, y midiendo la turbulencia de aire esperada en la aviación.
"Faltaba un concepto general, y el número de Richardson fue la alternativa", dice el Dr. Senocak. "No estamos diciendo que el número de Richardson sea irrelevante, pero cuando una montaña o valle está protegido de movimientos climáticos a mayor escala,no entra en escena. Ahora tenemos una mejor manera de explicar la teoría de estos flujos descendentes y descendentes del valle ".
Según el Dr. Senocak, este descubrimiento no solo será importante para la agricultura, la aviación y la predicción del clima, sino que también será vital para la investigación del cambio climático y el aumento del nivel del mar asociado, como predicción precisa de los perfiles de viento de superficie katabatic sobre grandesLas capas de hielo y los glaciares son fundamentales para el equilibrio energético del hielo derretido. Señala que incluso en la comunidad de dinámica de fluidos, se espera que el descubrimiento de este nuevo tipo sorprendente de inestabilidad suscite mucho interés en la investigación.
Luego, el Dr. Senocak está asesorando y patrocinando a un equipo de diseño de alto nivel para ver si los investigadores realmente pueden observar estas inestabilidades de fluidos en el laboratorio a una escala mucho más pequeña que una montaña.
El documento se publicó en línea en febrero y aparecerá impreso el 25 de abril de 2019.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pittsburgh . Original escrito por Maggie Pavlick. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :