El Laboratorio de Saint Anthony Falls (nombre anterior: Laboratorio Hidráulico de Saint Anthony Falls), o SAFL, es un laboratorio de investigación situado en la isla Hennepin en el río Mississippi en Minneapolis , Minnesota , Estados Unidos. Su investigación principal es en "Ingeniería, Mecánica de Fluidos Ambiental, Biológica y Geofísica". [2] Está afiliado a la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota . La investigación la llevan a cabo estudiantes graduados y profesores utilizando los 16,000 pies cuadrados de espacio de investigación y 24 instalaciones especializadas diferentes.
El laboratorio es único porque su ubicación junto a Saint Anthony Falls le permite utilizar el cabezal hidráulico de la cascada para proporcionar agua para muchos de los experimentos.
Los experimentos realizados en el laboratorio son variados y pueden incluir:
El Laboratorio de Saint Anthony Falls es también la sede del Centro Nacional de Dinámica de la Superficie Terrestre , un Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias . [3]
El laboratorio es un recurso que contribuye al distrito histórico de Saint Anthony Falls , que figura en el Registro Nacional de Lugares Históricos . [4]
SAFL fue diseñado y construido en la década de 1930 con fondos proporcionados por la Works Progress Administration y estuvo dirigido por Lorenz G. Straub hasta su muerte en 1963. La construcción comenzó en marzo de 1936 y el laboratorio se inauguró y dedicó en noviembre de 1938.
Al principio, SAFL se centró en la investigación hidráulica y de ingeniería, pero después de la muerte de Straub, el laboratorio comenzó a ampliar su investigación a enfoques más amplios, como flujos estratificados, turbulencia e hidrología. También se agregaron a la colección de instalaciones de investigación un túnel de viento de capa atmosférica y múltiples canales. Esto fue posible gracias a la financiación de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) .
Desde 1977 hasta 1993, el Laboratorio enfatizó la integración de la educación y la investigación básica y aplicada. Se designaron varios profesores nuevos para aportar nuevos esfuerzos de investigación a SAFL, como dinámica de fluidos computacional, recursos hídricos y energía, investigación ambiental del agua, hidrodinámica naval, cavitación, ingeniería eólica, desarrollo de pequeñas centrales hidroeléctricas, modelado de precipitaciones y geomorfología, por nombrar algunos. La NSF convirtió a SAFL en la sede del Centro Nacional de Dinámica de la Superficie Terrestre (NCED) en 2002, un centro dedicado a una mayor investigación y tecnología predictiva de la superficie terrestre.
En 2006, la Universidad de Minnesota y el Laboratorio St. Anthony Falls implementaron un consorcio de investigación de energía eólica, llamado EOLOS, que reunió a socios académicos, la industria y laboratorios gubernamentales con la ayuda de una subvención del Departamento de Energía. Esta nueva instalación ubicada justo al sur de Minneapolis llevó a SAFL más al mundo de la investigación de energías renovables con la adición de una turbina eólica, entre otras cosas.
Desde entonces, SAFL se ha convertido en un líder de renombre internacional en el estudio de la superficie terrestre y la dinámica de fluidos. A lo largo de los años se han agregado múltiples instalaciones nuevas para ampliar las capacidades de investigación y muchas de ellas han sido creadas por el personal y son utilizadas exclusivamente por investigadores de SAFL.
La financiación para las expansiones de SAFL ha procedido a lo largo de los años de varias fuentes externas como la NASA , la NSF, la Marina de los EE. UU., el Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea , la Cuenca de Modelos de Barcos de Hamburgo, la Comisión Legislativa-Ciudadana para los Recursos de Minnesota y muchos otros. más.
El Laboratorio St. Anthony Falls se agregó como centro de investigación a la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota en 2011.
La investigación en SAFL incluye el trabajo de muchos campos, incluida la ingeniería civil, la ingeniería hidráulica, la hidrología, la ecología y la geología. La investigación en SAFL se ha visto impulsada en la primera década del siglo XXI por su condición de sede del Centro Nacional de Dinámica de la Superficie Terrestre (NCED).
Los geólogos de SAFL emplean modelos de materiales analógicos de sistemas fluviales y deposicionales para comprender las causas de las morfologías y dinámicas de los canales de los ríos, así como para reconstruir la historia de los eventos que producen paquetes estratigráficos particulares . Los investigadores que trabajan en la morfología de los canales han demostrado la importancia de la vegetación a la hora de restringir los canales trenzados a un sistema de un solo hilo (y a menudo sinuoso). [5] [6] La investigación realizada en deltas experimentales de abanicos aluviales ha resaltado las estadísticas de ocupación del flujo y su peligro potencial para la vida y la propiedad, [7] ha mostrado ciclicidad autógena en los patrones de almacenamiento y liberación de sedimentos que determinan las posiciones costeras a corto plazo, [8] y se ha relacionado con la estratigrafía secuencial y los procesos que forman el registro estratigráfico. [8] [9] [10] [11] [12] [13]
La investigación en SAFL se concentra principalmente en cuatro áreas principales:
SAFL se involucró con NCED en 2002, un centro de ciencia y tecnología de NSF que se enfoca en desarrollar un enfoque cuantitativo integrado para predecir la evolución de la superficie de la Tierra. Se concentra en una gama completa de disciplinas críticas como ingeniería, ciencias de la Tierra, biología, matemáticas, física y ciencias sociales. Ahora SAFL es parte de NCED2, una subvención que apoya la continuación de los programas postdoctorales y de extensión de síntesis de investigación creados por NCED.
En la actualidad, la investigación de la superficie terrestre de SAFL gira en torno a los siguientes temas interrelacionados:
La visión de investigación a largo plazo de SAFL es "desarrollar un sistema interconectado de modelos teóricos y computacionales, respaldados por flujos de datos del entorno de la superficie viva, que pueda proporcionar predicciones adaptables y comprobables para escenarios que van desde la restauración ambiental y la mitigación de peligros naturales hasta cambios en las precipitaciones". al aumento global del nivel del mar". [14]
SAFL tiene programas de investigación activos en varias áreas para evaluar y cuantificar los impactos del cambio global y desarrollar soluciones con base científica para mitigar sus consecuencias, como una atmósfera alterada y una degradación de los recursos hídricos.
Las áreas de investigación de SAFL incluyen:
"La mitigación de los impactos del cambio ambiental global estará a la vanguardia de la investigación científica durante muchas décadas por venir. SAFL está posicionada para ayudar a crear impactos reales y mensurables mediante la catalización de la investigación interdisciplinaria a gran escala, integrando la ingeniería con las ciencias sociales, del comportamiento y económicas. , aprovechando big data y ciencia basada en datos, explotando una capacidad computacional en crecimiento exponencial e involucrando activamente a las partes interesadas, los responsables políticos y las comunidades". [14]
Desde 2007, SAFL ha desarrollado nuevas instalaciones experimentales a escala de laboratorio y de campo, herramientas computacionales avanzadas y nuevas asociaciones con laboratorios industriales y gubernamentales para posicionarse para una investigación más capaz en mecánica de fluidos y sistemas de energía renovable. Este enfoque de investigación tiene como objetivo utilizar la investigación y la tecnología para combatir y estudiar los efectos del cambio climático, como los fenómenos meteorológicos extremos más frecuentes y el aumento del nivel del mar.
La investigación de SAFL en este campo incluye:
"Las estrategias más viables económicamente para reducir significativamente las emisiones globales de carbono implican aumentos sustanciales en la producción de energía a partir de recursos renovables, que actualmente contribuyen sólo entre el 10 y el 13% de la cartera energética mundial... Las tecnologías de energía renovable basadas en la energía eólica, la energía hidrocinética marina, y la energía de los biocombustibles son partes integrales del entorno vivo de la superficie de la Tierra. La implementación de estas tecnologías debe estar respaldada por modelos mecanicistas, impulsados por datos en tiempo real, y debe integrarse con las políticas, la economía, las ciencias de la salud humana y la ecología. SAFL puede proporcionar liderazgo nacional en todos estos frentes, trabajando con una mentalidad para involucrar activamente a la industria, las agencias gubernamentales y estatales y otras partes interesadas en energía renovable". [14]
El acoplamiento entre la mecánica de fluidos y la biología ha dado lugar a un crecimiento en los últimos años de investigaciones destinadas a comprender la mecánica de fluidos del cuerpo humano y cuantificar sus vínculos con las vías de las enfermedades.
SAFL es líder en la investigación de la mecánica de fluidos cardiovasculares utilizando un enfoque de investigación basado en simulación. Se han desarrollado, validado y aplicado nuevas herramientas de hemodinámica computacional para estudiar una amplia gama de problemas clínicamente relevantes. Se han establecido y aprovechado asociaciones dentro de la UMN con el Departamento de Ingeniería Biomédica, el Departamento de Ingeniería y Mecánica Aeroespacial, la Facultad de Medicina y el Instituto de Ingeniería en Medicina, así como con la Clínica Mayo y otros colaboradores en todo el país.
Los temas de investigación incluyen:
La tarea rectora de la investigación en mecánica de fluidos biomédicos en los próximos años es la integración de herramientas computacionales del ámbito de la investigación académica a la práctica clínica que apoyen el futuro emergente de la atención médica personalizada.
El Laboratorio St. Anthony Falls es una instalación de investigación de 16,000 pies cuadrados en el río Mississippi. El laboratorio cuenta con 15 canales, tanques y canales de uso general que se pueden configurar fácilmente según las necesidades de un proyecto y pueden bombear agua indefinidamente desde el Mississippi a una velocidad de hasta 300 pies cúbicos/s. Las instalaciones de SAFL incluyen el canal principal, a través del cual se puede enviar agua del río Mississippi para experimentos de transporte de sedimentos a gran escala; las cuencas del delta, diseñadas para construir rápidamente una estratigrafía experimental; la instalación eXperimental EarthScape (XES, apodada "Jurassic Tank"), una cuenca de hundimiento para modelado deposicional a gran escala; el Outdoor Stream Lab, que se utiliza para comprender los procesos fluviales y la ecología ribereña a una escala más cercana al campo; y muchos otros equipos. El laboratorio es conocido por construir y destruir rápidamente aparatos experimentales, incluidos modelos de ríos a escala real, para comprender los efectos de la eliminación de represas .
El canal principal es el canal de investigación más grande de SAFL, mide 275 pies de largo, es un canal recto de concreto que tiene la capacidad de un caudal de agua de 300 pies³/s del río Mississippi que puede funcionar como un sistema de estanque o un flujo. -a través del sistema. El canal está equipado con un generador de olas, un sistema de recirculación y monitoreo del flujo de sedimentos y un carro de adquisición de datos.
Esta cuenca especializada se utiliza para estudiar la morfodinámica de deltas y cuencas en escalas de tiempo geológico. Esta cuenca es exclusiva de SAFL debido a su diseño y capacidades: puede incorporar los efectos del tectonismo en los procesos superficiales simulando hundimientos en el fondo de la cuenca y su transporte de datos permite la recopilación de datos en toda la cuenca XES y ayuda a "cortar" para obtener más secciones transversales visibles. La cuenca XES alberga el transporte de datos más avanzado de SAFL.
Estas dos cuencas rectangulares forman parte de la investigación de SAFL sobre deltas y sistemas deltaicos. Las cuencas permiten el control de la superficie del agua, la alimentación de sedimentos y las tasas de alimentación de agua. La adquisición de datos incluye un nuevo carro de datos diseñado por SAFL, un escáner topográfico y varios sistemas de cámaras. Ambas cuencas miden 16,4 x 16,4 pies y tienen 2,1 pies de profundidad.
Ubicada fuera del edificio de SAFL, esta instalación a escala de campo al aire libre de diseño exclusivo fue desarrollada por SAFL y NCED y puede usarse para realizar experimentos más grandes en condiciones controladas. Es capaz de crear inundaciones y tiene una amplia gama de caudales para investigaciones hidrológicas, ecológicas y biológicas. El OSL permite una variedad de tasas de flujo de agua, tasas de alimentación de sedimentos, un recodo de río serpenteante, formación de canales y capacidades de inundación. Esto se utiliza para facilitar una variedad de oportunidades de investigación de llanuras aluviales, vegetación y canales. El StreamLab tiene un caudal de agua recirculante de hasta 200 L³/s
Diseñado para modelar la capa límite aire/tierra, el túnel de viento puede proporcionar un flujo de aire circulante o de un solo paso que puede alcanzar hasta 148 pies/s. Está equipado con una pared de observación de vidrio, capacidades de variación de temperatura y superficie, una plataforma giratoria, un generador de humo e instrumentación láser. El túnel tiene capacidades de control de temperatura que permiten estudiar los efectos de la estratificación térmica en la atmósfera en las estructuras.
CloudIA es una instalación creada por SAFL que se compone de 256 chorros de aire controlados individualmente que pueden generar 1 m³ de turbulencia de aire. Está diseñado para replicar las condiciones que se encuentran en la atmósfera para estudiar partículas.
comportamiento a menor escala. Las micropartículas líquidas o sólidas se pueden dejar caer a velocidades ajustables y son rastreadas por múltiples cámaras de alta velocidad y un láser de alta repetición. CloudIA también es totalmente transparente para permitir vivir
visibilidad.
Un consorcio de energía eólica asociado con muchas organizaciones que van desde pequeñas empresas hasta agencias gubernamentales como el Departamento de Energía de EE. UU. Los proyectos de investigación en curso se ocupan de la ubicación de parques eólicos, el monitoreo basado en las condiciones, la optimización del sistema de control, el modelado aeroelástico, los métodos de reducción de arrastre y ruido, las interacciones de radar con parques eólicos, la electrónica de potencia y las cajas de cambios.
SAFL también cuenta con otras instalaciones de investigación especializadas que incluyen múltiples canales, tanques y cuencas de diferentes formas y tamaños según el proyecto de investigación.
Durante el año académico, SAFL organiza seminarios semanales sobre diversos temas relacionados con la ingeniería y la mecánica de fluidos ambientales, geofísicos y biológicos con presentadores del mundo académico, agencias gubernamentales y la industria. Estos seminarios son gratuitos y abiertos al público.
El programa REU es una colaboración entre la Universidad de Minnesota, la Fond du Lac Band del lago Superior Chippewa y las tribus confederadas Salish y Kootenai en Montana para estudiar diversos temas de investigación que pueden ayudar con los problemas de la comunidad. Los temas pueden concentrarse en la dinámica de la superficie de la Tierra, geología, ingeniería civil y ambiental, ecología, biología, hidrología, etc.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )44°58′57″N 93°15′18″O / 44.98250°N 93.25500°W / 44.98250; -93.25500