- Penachos de vapor de fuentes industriales
- Gran penacho de convección natural
- Una explosión nuclear puede generar una columna térmica en forma de hongo .
En hidrodinámica , un penacho o una columna es un cuerpo vertical de un fluido que se mueve a través de otro. Varios efectos controlan el movimiento del fluido, incluido el impulso (inercia), la difusión y la flotabilidad (diferencias de densidad). Los chorros puros y las columnas puras definen flujos que son impulsados enteramente por efectos de impulso y flotabilidad, respectivamente. Los flujos entre estos dos límites suelen describirse como penachos forzados o chorros flotantes. "La flotabilidad se define como positiva" cuando, en ausencia de otras fuerzas o movimiento inicial, el fluido entrante tendería a ascender. Las situaciones en las que la densidad del fluido de la pluma es mayor que la de su entorno (es decir, en condiciones de calma, su tendencia natural sería hundirse), pero el flujo tiene suficiente impulso inicial para transportarlo a cierta distancia verticalmente, se describen como de flotabilidad negativa. [1]
Por lo general, a medida que una columna se aleja de su origen, se ensancha debido al arrastre del fluido circundante en sus bordes. Las formas de la pluma pueden verse influenciadas por el flujo del fluido ambiental (por ejemplo, si el viento local que sopla en la misma dirección que la pluma da como resultado un chorro que fluye conjuntamente). Esto suele provocar que una columna que inicialmente había estado "dominada por la flotabilidad" pase a estar "dominada por el momento" (esta transición suele predecirse mediante un número adimensional llamado número de Richardson ).
Otro fenómeno importante es si una pluma tiene flujo laminar o flujo turbulento . Por lo general, hay una transición de laminar a turbulenta a medida que la columna se aleja de su origen. Este fenómeno se puede ver claramente en la columna de humo ascendente de un cigarrillo. Cuando se requiere una alta precisión, se puede emplear la dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular columnas, pero los resultados pueden ser sensibles al modelo de turbulencia elegido. La CFD se realiza a menudo para columnas de cohetes , donde pueden estar presentes componentes de fase condensada además de componentes gaseosos. Este tipo de simulaciones pueden volverse bastante complejas, incluida la postcombustión y la radiación térmica , y (por ejemplo) los lanzamientos de misiles balísticos a menudo se detectan detectando columnas de cohetes calientes.
A los diseñadores de naves espaciales a veces les preocupa el impacto de las columnas de los propulsores del sistema de control de actitud sobre subsistemas sensibles como los paneles solares y los seguidores de estrellas , o con el impacto de las columnas de los motores de los cohetes sobre la luna o las superficies planetarias, donde pueden causar daños locales o incluso perturbaciones a mediano plazo en los planetas. atmósferas .
Otro fenómeno que también se puede observar claramente en el flujo de humo de un cigarrillo es que el borde inicial del flujo, o la columna de inicio, a menudo tiene aproximadamente la forma de un anillo-vórtice ( anillo de humo ). [2]
Los contaminantes liberados al suelo pueden llegar hasta las aguas subterráneas , provocando su contaminación . La masa de agua contaminada resultante dentro de un acuífero se llama penacho, y sus bordes migratorios se denominan frentes de penacho. Las columnas se utilizan para localizar, mapear y medir la contaminación del agua dentro del cuerpo total de agua del acuífero, y los frentes de columnas para determinar las direcciones y la velocidad de propagación de la contaminación en él. [3]
Las columnas son de considerable importancia en el modelado de la dispersión atmosférica de la contaminación del aire . Un trabajo clásico sobre el tema de las columnas de contaminación del aire es el de Gary Briggs. [4] [5]
Una columna térmica es aquella que se genera cuando el gas se eleva por encima de una fuente de calor. El gas se eleva porque la expansión térmica hace que el gas caliente sea menos denso que el gas más frío que lo rodea.
Una modelización sencilla permitirá investigar muchas propiedades de las columnas de humo turbulentas plenamente desarrolladas. [6] Muchos de los argumentos clásicos de escala se desarrollaron en un estudio combinado analítico y de laboratorio descrito en un influyente artículo de Bruce Morton , GI Taylor y Stewart Turner [7] y este trabajo y los posteriores se describen en la popular monografía de Stewart Turner. [8]
El valor del coeficiente de arrastre es el parámetro clave en los modelos de pluma simples. Continúan las investigaciones para evaluar cómo el coeficiente de arrastre se ve afectado, por ejemplo, por la geometría de una columna, [11] las partículas suspendidas dentro de una columna, [12] y la rotación de fondo. [13]
Los modelos de pluma gaussiana se pueden utilizar en varios escenarios de dinámica de fluidos para calcular la distribución de la concentración de solutos, como la liberación de una chimenea o un contaminante liberado en un río. Las distribuciones gaussianas se establecen mediante difusión fickiana y siguen una distribución gaussiana (en forma de campana). [14] Para calcular la concentración esperada de una fuente puntual instantánea unidimensional, consideramos una masa liberada en un momento instantáneo, en un dominio unidimensional a lo largo de . Esto dará la siguiente ecuación: [15]
donde es la masa liberada en el momento y lugar , y es la difusividad . Esta ecuación parte de los siguientes cuatro supuestos: [16]