6.5: Flujo Combinado (Ondas más Corriente)

Introducción

Es común, en lagos y en el océano, que las corrientes y las olas convivan. Tal flujo, que involucra tanto ondas como una corriente, se llama flujo combinado. En el interior de la corriente, lejos del límite inferior, las olas superponen a la corriente un movimiento oscilatorio mayorista del agua que no afecta de ninguna manera sustancial la estructura de turbulencia en la corriente, debido a que se introduce muy poco cizallamiento en el fluido. Cerca del fondo, sin embargo, en la capa límite inferior, el movimiento de la onda oscilatoria y la corriente unidireccional interactúan de formas complejas, con importantes consecuencias para el arrastre y movimiento de sedimentos. Dicha capa límite se denomina capa límite de flujo combinado o capa límite de onda más corriente.

Variedades de Flujo Combinado

Los flujos combinados más simples son aquellos que involucran un tren de olas de la variedad “tanque de olas” (con un solo componente de onda, con un solo período y una sola dirección) y la dirección de propagación de la ola es la misma que la dirección de la corriente. Entonces se puede imaginar un rango de flujos combinados, siendo un miembro final un flujo simétrico puramente oscilatorio y el otro miembro extremo siendo una corriente sin ondas superpuestas (Figura\(\PageIndex{1}\)). En el rango para el cual la velocidad de flujo oscilatorio es mayor que la velocidad de flujo unidireccional, los elementos de agua oscilan pero experimentan un cambio neto de posición. En el rango para el cual la velocidad de flujo unidireccional es mayor que la velocidad de flujo oscilatorio, los elementos de agua se mueven en una sola dirección pero a una velocidad variable en el tiempo. El caso “medio” es el de un movimiento stop—start.

Figura\(\PageIndex{1}\): El rango de flujos combinados, cuando las orientaciones de la componente unidireccional y la componente oscilatoria son las mismas.

Solo para complicar aún más las cosas, la asimetría en las velocidades máximas hacia adelante y hacia atrás en el flujo combinado dominado por la oscilación no es la única forma en que se produce tal asimetría de velocidad: puede existir incluso en un flujo puramente oscilatorio para el cual la carrera hacia adelante está a una velocidad mayor, sino para una menor tiempo, y la carrera hacia atrás es a menor velocidad pero por un tiempo más largo (Figura\(\PageIndex{2}\)). el movimiento neto del agua sigue siendo cero, pero hay asimetría en las velocidades, y, si las olas están moviendo sedimentos, una asimetría aún mayor en el transporte de sedimentos. Tal flujo asimétrico puramente oscilatorio se desarrolla cuando las olas de aguas poco profundas se propagan hacia aguas menos profundas (eso se llama bajío).

Figura\(\PageIndex{2}\): Historia temporal de la velocidad de flujo en flujo asimétrico puramente oscilatorio.

Por supuesto, el rango de flujo combinado descrito anteriormente son un caso especial, ya que puede haber cualquier ángulo entre la dirección de propagación de la onda y la dirección de la corriente, de cero grados a noventa grados. La mayor parte del trabajo experimental sobre el flujo combinado se ha realizado en el caso de cero grados, porque ese es, con mucho, el más fácil de configurar en el laboratorio. En el entorno natural, sin embargo, el caso de cero grados es la excepción y no la regla. Algún pensamiento de tu parte debería convencerte de que el caso de grados distintos de cero involucra movimientos de agua que son en forma de lazo o zigzag, dependiendo de si el flujo está dominado por la oscilación o dominado por la corriente, respectivamente.

Las cosas son considerablemente más complicadas cuando las ondas son ondas espectrales, con más de un componente. Un poco de física elemental podría ayudar aquí para guiar tu pensamiento. Cuando se combinan dos oscilaciones sinusoidales en un plano horizontal, con la misma frecuencia, las trayectorias resultantes de partículas de material describen una elipse. Si, sin embargo, las frecuencias son diferentes, las trayectorias adquieren un patrón más complicado, pero infinitamente repetitivo, llamado figuras de Lissajous Estas figuras son complejas en forma de lazo, pero se repiten infinitamente, trazando la misma trayectoria una y otra vez, siempre dentro de los confines de un caja rectangular definida por las amplitudes de las dos oscilaciones. (Intente buscar en Google “Figuras de Lissajous” en Internet para ver algunas animaciones atractivas). Dicha figura simula cuáles serían los movimientos del fondo del agua bajo la acción de dos componentes de ola con diferentes periodos y amplitudes.

Las cosas se complican más cuando hay tres o más componentes oscilatorios, con diferentes orientaciones y frecuencias. Entonces las trayectorias de las partículas aparecen totalmente irregulares y no repetitivas (ver Figura\(\PageIndex{3}\), que es falsa pero te da la idea). Tal sería la naturaleza de los movimientos del agua del fondo en el flujo puramente oscilatorio producido por ondas espectrales para las cuales más de un componente contribuye al movimiento del agua del fondo. Tenga en cuenta que todo esto es antes de que una corriente se superponga al movimiento oscilatorio.

Figura\(\PageIndex{3}\): Caricatura para darte una idea de cuáles serían las trayectorias de los elementos acuáticos cercanos al fondo en el caso de tres o más componentes oscilatorios, con diferentes orientaciones y frecuencias.

Los efectos de este caso más general de flujo combinado sobre el movimiento de sedimentos han sido, por lo menos, poco estudiados en el laboratorio, debido a la gran dificultad de disponer dichos flujos, pero el movimiento de sedimentos bajo tales flujos en ambientes naturales comunes como lagos y el océano poco profundo debe ser más la regla que la excepción.

Lo que ayuda a salvar a los sedimentacionistas de este pantano de complejidad es el efecto de filtro de paso bajo de la columna de agua, mencionado anteriormente: incluso en el caso de un espectro de onda ampliamente bidimensional, es probable que los movimientos del agua del fondo estén dominados por solo el (los) componente (s) más fuerte (s), haciendo así que el agua movimientos más como los casos más simples discutidos anteriormente. En momentos en que el espectro de olas está experimentando importantes ajustes a la dirección cambiante de los vientos fuertes, sin embargo, es probable que el caso más general sea importante.

La capa límite de flujo combinado

En flujos combinados, la capa límite consiste en una capa límite de onda, inmediatamente adyacente a la parte inferior, comúnmente algunas decenas de centímetros de espesor si el fondo es lo suficientemente rugoso como para causar que la capa límite de onda sea turbulenta, y una capa límite de corriente mucho más gruesa, que se extiende hacia arriba por decenas de metros (consulte el Capítulo 7 para obtener más información sobre las capas límite actuales en entornos naturales a gran escala influenciados por la rotación de la Tierra). En otras palabras, la capa límite de onda está incrustada en la parte más baja de la capa límite actual. Dichas capas límite se denominan capas límite de flujo combinado o capas límite de corriente de onda. Tales capas fronterizas son la regla durante las tormentas en el océano poco profundo, sobre las plataformas continentales, y como tales son un aspecto clave del transporte de sedimentos de la plataforma continental.

Un enfoque simple para la estructura de las capas límite de onda-corriente sería simplemente agregar la velocidad variable en el tiempo de una capa límite de onda al perfil de velocidad de flujo unidireccional. El problema es que tal enfoque no toma en cuenta un elemento sustancial de no linealidad, como sigue. Dentro de la capa límite de onda, la superposición de la corriente hace que la carrera hacia adelante del movimiento oscilatorio del agua del fondo sea de mayor velocidad que la carrera hacia atrás. Aprendió en el Capítulo 4 que, para un flujo turbulento completamente desarrollado (número de Reynolds suficientemente grande), la resistencia al flujo va aproximadamente como el cuadrado de la velocidad, por lo que debe esperar que el esfuerzo cortante límite promedio en el tiempo debajo de la capa límite de corriente de onda sea mayor que lo sería para la corriente dada sin las olas acompañantes. Debe esperar que las características de la turbulencia dentro de la capa límite de onda sean muy diferentes del caso puramente oscilatorio. Por encima de la capa límite de onda, sin embargo, la turbulencia no se ve afectada por la presencia de la capa límite de onda debajo: ahí, de hecho se puede pensar en términos de un movimiento oscilatorio corporal de ida y vuelta que se superpone a la corriente unidireccional. Una forma de expresar esto es que la capa límite de onda “ve” esta región o capa del flujo, dentro de la capa límite actual pero por encima de la capa límite de onda, como el interior del flujo. Si pudieras observar los detalles del flujo en esta capa mientras mueves tu cabeza en órbitas que coincidan con el componente oscilatorio del flujo, se verían igual que si no hubiera componente oscilatorio al flujo.

El perfil de velocidad en el flujo combinado por encima de la capa límite de onda es diferente al de una corriente puramente unidireccional, sin embargo, porque el efecto de “anclaje” en el perfil en la región del flujo más cercana al lecho es diferente. ¿Recuerdas del Capítulo 4 (véase la Figura 4.8.1 en particular) cómo, en cualquier nivel dado por encima del lecho en una corriente unidireccional, la pendiente del perfil de velocidad de la ley de la pared es la misma para el flujo dinámicamente áspero que para el flujo dinámicamente suave pero la velocidad real es menor, debido a la mayor resistencia límite en el flujo áspero? En una capa límite onda-corriente la presencia de la capa límite de onda tiene un efecto del mismo tipo: la pendiente del perfil de velocidad, un reflejo de la estructura de turbulencia de la corriente, es la misma que para una corriente puramente unidireccional, pero la velocidad es menor debido al mayor flujo resistencia en la parte inferior de la capa límite de onda. Esto se muestra claramente en la Figura\(\PageIndex{4}\): mire las dos curvas en la parte izquierda de la gráfica, y verá que a una elevación dada la velocidad es menor para el flujo combinado que en el flujo puramente unidireccional.

Figura\(\PageIndex{4}\): Perfiles de velocidad en flujo puramente unidireccional, flujo puramente oscilatorio y flujo combinado. Los puntos rojos son para flujo puramente unidireccional; los cuadrados azules son para flujo puramente oscilatorio; y los círculos verdes son para flujo combinado. Las dos curvas de la izquierda muestran el componente de velocidad unidireccional, y las curvas de la derecha muestran el componente de velocidad oscilatoria. (De Nielsen, 1992, p. 62.)

También es claro a partir de la Figura\(\PageIndex{4}\) que la velocidad oscilatoria en la capa límite de onda en un flujo combinado no es muy diferente de la velocidad oscilatoria en la capa límite de onda de un flujo puramente oscilatorio, al menos para flujos en los que el componente oscilatorio es mayor que el unidireccional componente. La conclusión, por lo tanto, es que el perfil de velocidad en la capa límite de onda no cambia mucho por la adición de una corriente, sino que el perfil de velocidad en el flujo por encima de la capa límite de onda es sustancialmente diferente que en un flujo puramente unidireccional (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Cómo la adición de un componente oscilatorio del flujo cambia el perfil de velocidad de la componente unidireccional del flujo. (De Nielsen, 1992, p. 79.)

Referencias

• Nielsen, P., 1992, Mecánica del Fondo Marino.
• Schlichting, H., 1960, Teoría de la capa límite: Nueva York, McGraw-Hill, 647 p.