Convección gravitacional turbulenta de fuentes mantenidas e instantáneas

Resumen Se desarrollan teorías de convección a partir de fuentes mantenidas e instantáneas de flotabilidad, utilizando métodos que son aplicables a fluidos corporales estratificados con cualquier variación de densidad con la altura; se han presentado soluciones detalladas para el caso de un fluido estratificado de forma estable con un gradiente de densidad lineal. Las tres principales suposiciones involucradas son (i) que los perfiles de velocidad vertical y flotabilidad son similares a todas las alturas, (ii) que la tasa de incorporación de fluido a cualquier altura es proporcional a una velocidad característica en esa altura, y (iii) que los fluidos son incomprensibles y no cambian de volumen al mezclarse, y que las variaciones locales en la densidad a lo largo del movimiento son pequeñas en comparación con una densidad de referencia. Las ecuaciones gobernantes se derivan en forma no dimensional a partir de las condiciones de conservación de volumen, momento y flotabilidad, y se obtiene una solución numérica para el caso de la fuente mantenida, lo que lleva a una predicción de la altura final a la que se elevará una pluma de fluido ligero en un fluido estratificado de forma estable. Se hacen estimaciones de la constante que gobierna la tasa de incorporación comparando la teoría con algunos resultados previos en fluidos uniformes y con los resultados de nuevos experimentos realizados en una solución salina estratificada. Para el caso de una fuente instantánea de flotabilidad, existe una solución exacta; la constante de incorporación se estima nuevamente a partir de resultados de laboratorio para un fluido estratificado. Finalmente, el análisis se aplica a la atmósfera (compresible), haciendo la sustitución habitual de la temperatura potencial por la temperatura. Se realizan predicciones de la altura a la que deberían elevarse las plumas de humo de fuentes típicas de calor en una atmósfera estratificada de forma estable y quieta bajo diversas condiciones.