Rasgos Característicos de la capa límite planetaria

Humberto Hernández Peralta

En mecánica de fluidos, la capa límite o capa fronteriza de un fluido es la zona donde el movimiento de éste es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto. La capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.

En la atmósfera terrestre, la capa límite es la capa de aire cercana al suelo y que se ve afectada por la convección debida al intercambio diurno de calor, humedad y momento con el suelo.

Algunos rasgos característicos de la capa límite planetaria

El espesor de la capa límite planetaria varia considerablemente. Desde decenas de metros hasta un par de kilometros.

Dependiendo de: Rugosidad del suelo La topografía La naturaleza de la cubierta vegetal La intensidad del viento La razón de calentamiento o enfriamiento de la

superficie

La advección del calor y la humedad Los movimientos verticales Etc.

Sobre la tierra, la profundida de la capa límite cambia con la hora del día como respuesta al calentamiento diurno y a los ciclos de enfriamiento.

Después de la salida del sol en un día claro, el calentamiento de la tierra sobre la superficie y la consecuente mezcla vertical conlleva a un incremento del grosor de la capa límite. Alcanzando un máximo por la tarde.

En la noche y durante ella el enfriamiento radiativo de la superficie inhibe así la mezcla térmica substancialmente reduciendo la profundida de la capa límite

Flujos viscosos y no viscosos

En un flujo no viscoso se supone que la viscosidad de fluido u, vale cero. Evidentemente, tales flujos no existen; sin embargo; se tienen numerosos problemas donde esta hipótesis puede simplificar el análisis y al mismo tiempo ofrecer resultados significativos. (Si bien, los análisis simplificados siempre son deseables, los resultados deben ser razonablemente exactos para que tengan algún valor.)

Dentro de la subdivisión de flujo viscoso podemos considerar problemas de dos clases principales. Flujos llamados incompresibles, en los cuales las variaciones de densidad son pequeñas y relativamente poco importantes. Flujos conocidos como compresibles donde las variaciones de densidad juegan un papel dominante como es el caso de los gases a velocidades muy altas.

Por otra parte, todos los fluidos poseen viscosidad, por lo que los flujos viscosos resultan de la mayor importancia en el estudio de mecánica de fluidos.

Los efectos de la viscosidad y la turbulencia son muy importantes en la formación y mantenimiento de la capa límite planetaria

Esfuerzo cortante y viscosidad

τ/ρ=-ν(δu/δz)

Número de Reynolds

Re=uL/v

FLUJOS LAMINARES Y TURBULENTOS

Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar, la estructura del flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas. La estructura del flujo en un régimen turbulento por otro lado, se caracteriza por los movimientos tridimensionales, aleatorios, de las partículas de fluido, superpuestos al movimiento promedio.

Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se denominan incompresibles; cuando las variaciones en densidad dentro de un flujo no se pueden despreciar, se llaman compresibles. Si se consideran los dos estados de la materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles.

La primera parte de esta generalización es correcta para la mayor parte de los casos prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido

La turbulencia es una propiedad del flujo y no del fluido.

La capa límite planetaria puede ser idealizada como una estructura de multicapas.

Origen de la Turbulencia

Origen Mecánico (convección forzada): Relacionada con los cambio rápidos en la velocidad media del viento de un punto a otro.

Origen térmico(Libre convección)

Remolinos (Eddies)

Durante el día, el calentamiento de la superficie, así como las variaciones de los fuertes vientos conllevan a la formación continua de remolinos turbulentos.

Estos remolinos son responsables de la eficiente mezcla e intercambios de masa, calor y momento a través de la capa límite planetaria

Gracias