Diferencia entre revisiones de «El Vortice de Rankine (Grupo 11)»
(→Perfil radial de la velocidad tangencial) |
(→Construcción del campo de velocidades en el plano XY) |
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| Línea 222: | Línea 222: | ||
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| − | == Construcción del campo de velocidades en el plano XY == | + | === Construcción del campo de velocidades en el plano XY === |
Para representar el vórtice en 2D, se discretiza el plano en un dominio cuadrado: | Para representar el vórtice en 2D, se discretiza el plano en un dominio cuadrado: | ||
Revisión del 14:13 2 dic 2025
| Trabajo realizado por estudiantes | |
|---|---|
| Título | El Vortice de Rankine. Grupo 11 |
| Asignatura | Teoría de Campos |
| Curso | 2025-26 |
| Autores |
|
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
Contenido
- 1 Introducción
- 2 Formulación matemática del vórtice de Rankine
- 3 Determinación de la circulación y visualizacion del flujo
- 4 Conversión de velocidad tangencial a componentes Ux y Uy
- 5 Representación del campo vectorial
- 6 Comparación entre vórtices reales y modelos matemáticos
- 7 Análisis local del flujo: divergencia, rotacional y vorticidad
- 8 Efecto de la vorticidad sobre el movimiento de un objeto flotante
- 9 Distribución vertical de la presión en el vórtice
- 9.1 7. Distribución vertical de la presión en el vórtice: estructura interna y representación
- 9.2 Datos y constantes empleadas
- 9.3 Cálculo del campo de presión p(\rho,z) en todo el dominio
- 9.4 (9) Caída de presión entre el exterior y el centro del ojo
- 9.5 (10) Diferencia de presión estándar [math]\Delta P = P_\infty - P_0[/math]
- 10 Gradiente de presión y dirección de las fuerzas impulsoras del flujo
- 11 Fuerzas inducidas por el gradiente de presión e impacto estructural
- 12 Otros vórtices atmosféricos
1 Introducción
El vórtice de Rankine es un modelo bastante utilizado en mecánica de fluidos para entender cómo se comporta un fluido cuando gira alrededor de un eje. Lo interesante de este modelo es que evita el problema del vórtice ideal, donde la velocidad se hace infinita en el centro, algo que obviamente no pasa en la realidad. Para solucionarlo, Rankine divide el vórtice en dos zonas: en el núcleo el fluido gira como si fuera un cuerpo sólido, mientras que en la parte exterior el movimiento es irrotacional y la velocidad va disminuyendo a medida que aumenta la distancia al centro.
Aunque es un modelo sencillo, describe bastante bien el comportamiento de muchos vórtices reales, como tornados, ciclones o remolinos. Por eso suele usarse como referencia básica en teoría de campos y en el estudio de flujos rotacionales, ya que permite trabajar con expresiones matemáticas claras sin dejar de tener cierta aproximación física.
2 Formulación matemática del vórtice de Rankine
El vórtice de Rankine es un modelo simple utilizado para describir cómo gira un fluido alrededor de un eje. La idea principal es que un vórtice real no presenta la misma estructura en todas sus regiones: cerca del centro el movimiento es más suave, mientras que en zonas más alejadas el flujo se comporta de manera más “libre”. Por este motivo, el modelo utiliza dos expresiones distintas para la velocidad en función del radio.
La velocidad tangencial viene dada por:
[math] v_\theta(r)= \begin{cases} \dfrac{\Gamma}{2\pi r_c^2}\, r, & r \le r_c \\[6pt] \dfrac{\Gamma}{2\pi r}, & r \gt r_c \end{cases} [/math]
A continuación se explica el origen de cada parte.
1. El papel de la circulación [math]\Gamma[/math]
En este modelo la magnitud fijada de antemano es la circulación [math]\Gamma[/math], que mide la cantidad total de rotación asociada al flujo alrededor del centro. Rankine asume que dicho valor es constante para cualquier radio, lo que permite simplificar el análisis.
2. Parte interior: [math]r \le r_c[/math]
Si se utilizara directamente la expresión [math]\Gamma/(2\pi r)[/math], la velocidad tangencial se haría infinita cuando [math]r \to 0[/math], lo cual no es físicamente razonable. Para evitar esta singularidad, en la región interior se supone que las partículas del fluido giran como un cuerpo rígido:
[math]v_\theta(r) = \Omega r[/math]
donde [math]\Omega[/math] es la velocidad angular. Para determinar su valor se impone que la circulación en el borde del núcleo sea igual a [math]\Gamma[/math]:
[math] \Gamma = v_\theta(r_c)\,(2\pi r_c) = (\Omega r_c)(2\pi r_c). [/math]
De aquí se obtiene:
[math] \Omega = \frac{\Gamma}{2\pi r_c^2} [/math]
y sustituyendo:
[math] v_\theta(r)=\frac{\Gamma}{2\pi r_c^2}\, r. [/math]
3. Parte exterior: [math]r \gt r_c[/math]
En la zona exterior la vorticidad se considera despreciable y el flujo se aproxima como irrotacional. En este caso, la relación entre circulación y velocidad es:
[math]\Gamma = 2\pi r\, v_\theta(r)[/math]
lo que conduce a:
[math]v_\theta(r) = \frac{\Gamma}{2\pi r}[/math]
Esta expresión corresponde al vórtice potencial clásico y muestra que la velocidad disminuye cuando aumenta el radio, tal como se observa en vórtices reales fuera del núcleo.
4. Por qué la fórmula es por tramos
El modelo combina dos comportamientos distintos:
uno suave en la región central, donde la velocidad es proporcional al radio;
y otro típico de flujo irrotacional más alejado del centro, donde la velocidad varía como [math]1/r[/math].
La transición en [math]r = r_c[/math] se ajusta para que la velocidad sea continua en todo el dominio. Aunque no describe todos los detalles de un vórtice real, el modelo de Rankine es útil porque evita la singularidad en el centro y mantiene la circulación total.
3 Determinación de la circulación y visualizacion del flujo
| Código MATLAB | Gráfica obtenida |
|---|---|
%% Pregunta 1 - Vórtice de Rankine (versión simplificada)
clear; clc; close all;
% Parámetros EF4
R = 250; vR = 90;
Gamma = 2*pi*R*vR;
fprintf('Circulacion Gamma = %.3e m^2/s\n', Gamma);
% ===== FUNCIÓN VELOCIDAD TANGENCIAL =====
vtheta_fun = @(rho) (rho<=R).* (Gamma/(2*pi*R^2).*rho) + ...
(rho> R).* (Gamma./(2*pi*rho));
%% FIGURA 1: Perfil v_theta(rho)
rho = linspace(0,1000,1000);
vtheta = vtheta_fun(rho);
figure; hold on; grid on;
plot(rho(rho<=R), vtheta(rho<=R), 'r', 'LineWidth',2);
plot(rho(rho> R), vtheta(rho> R), 'b', 'LineWidth',2);
yl = ylim; plot([R R],[yl(1) yl(2)],'k--','LineWidth',1.3);
xlabel('\rho (m)'); ylabel('v_\theta(m/s)');
title('Perfil de velocidad tangencial del Tornado categoria EF4');
leg1 = legend('Núcleo EF4','Exterior EF4','Radio del ojo R','Location','northeast');
set(leg1,'FontSize',7);
%% FIGURA 2: Campo vectorial (vista superior) en x,y ∈ [-800,800]
L = 800; N = 25;
[x,y] = meshgrid(linspace(-L,L,N));
rho_xy = sqrt(x.^2+y.^2); rho_safe = max(rho_xy,1e-6);
v_xy = vtheta_fun(rho_xy);
Ux = -v_xy .* (y ./ rho_safe);
Uy = v_xy .* (x ./ rho_safe);
mask = rho_xy <= L; % dominio circular dentro del cuadrado [-L,L]^2
mask_in = mask & (rho_xy <= R);
mask_out = mask & (rho_xy > R);
figure; hold on; grid on; axis equal;
axis([-L L -L L]); % <- aquí fuerzas el dominio x,y ∈ [-800,800]
quiver(x(mask_in), y(mask_in), Ux(mask_in), Uy(mask_in), 0.7, 'r');
quiver(x(mask_out), y(mask_out), Ux(mask_out), Uy(mask_out), 0.7, 'b');
theta = linspace(0,2*pi,200);
plot(R*cos(theta), R*sin(theta),'k--','LineWidth',1.3);
xlabel('x (m)'); ylabel('y (m)');
title('Campo de velocidad tangencial del Tornado categoria EF4 (plano horizontal)');
leg2 = legend('Núcleo EF4','Exterior EF4','Radio del ojo R','Location','northeast');
set(leg2,'FontSize',7);
3.1 Definición de parámetros y cálculo de la circulaciónA continuación se describe el funcionamiento del código utilizado para calcular la circulación de un vórtice tipo Rankine y representar el campo de velocidades asociado. El caso se ha parametrizado como un tornado de intensidad EF4, usando valores típicos de radio del ojo y velocidad en el borde.
R = 250;
vR = 90;
Gamma = 2*pi*R*vR;
fprintf('Circulacion Gamma = %.3e m^2/s\n', Gamma);Se fija un radio del núcleo del tornado [math]R = 250\,\text{m}[/math] y una velocidad tangencial medida en ese radio de [math]v_R = 90\,\text{m/s}[/math]. Usando la relación básica del vórtice potencial: [math] \Gamma = 2\pi R\, v_\theta(R) [/math] se obtiene directamente la circulación total [math]\Gamma[/math], que es la magnitud fundamental del modelo de Rankine. Esta circulación se mantiene tanto en la región interior como en la exterior. --- 3.2 Función de velocidad tangencial por tramosvtheta_fun = @(rho) (rho<=R).* (Gamma/(2*pi*R^2).*rho) + ...
(rho> R).* (Gamma./(2*pi*rho));Se define una función anónima 3.2.1 Interior del núcleo (ρ ≤ R): rotación sólida[math] v_\theta(\rho) = \frac{\Gamma}{2\pi R^2}\,\rho [/math] 3.2.2 Exterior del núcleo (ρ > R): flujo irrotacional[math] v_\theta(\rho) = \frac{\Gamma}{2\pi \rho} [/math] Matlab evalúa cada tramo usando multiplicación lógica --- 3.3 Perfil radial de la velocidad tangencialrho = linspace(0,1000,1000);
vtheta = vtheta_fun(rho);Se genera un vector de radios desde 0 hasta 1000 m y se calcula en cada punto la velocidad tangencial. La figura resultante se obtiene con: plot(rho(rho<=R), vtheta(rho<=R), 'r', 'LineWidth',2);
plot(rho(rho> R), vtheta(rho> R), 'b', 'LineWidth',2);
plot([R R],[yl(1) yl(2)],'k--','LineWidth',1.3);
Con ello se visualiza claramente la transición entre ambos regímenes del modelo de Rankine. --- 3.4 Construcción del campo de velocidades en el plano XYPara representar el vórtice en 2D, se discretiza el plano en un dominio cuadrado: L = 800; N = 25;
[x,y] = meshgrid(linspace(-L,L,N));
rho_xy = sqrt(x.^2+y.^2);
rho_safe = max(rho_xy,1e-6);
La velocidad tangencial en cada punto se evalúa como: v_xy = vtheta_fun(rho_xy);--- 4 Conversión de velocidad tangencial a componentes Ux y UyEn coordenadas polares, la velocidad tangencial es perpendicular al vector radial, lo que lleva a las transformaciones: [math] u_x = -v_\theta \frac{y}{\rho}, \qquad u_y = v_\theta \frac{x}{\rho} [/math] En Matlab se implementa como: Ux = -v_xy .* (y ./ rho_safe);
Uy = v_xy .* (x ./ rho_safe);Así se obtiene el campo vectorial completo en coordenadas cartesianas. --- 5 Representación del campo vectorialLos vectores del flujo se representan con mask_in = rho_xy <= R;
mask_out = rho_xy > R;
quiver(x(mask_in), y(mask_in), Ux(mask_in), Uy(mask_in), 0.7, 'r');
quiver(x(mask_out), y(mask_out), Ux(mask_out), Uy(mask_out), 0.7, 'b');
Además, se dibuja el contorno circular del núcleo: theta = linspace(0,2*pi,200);
plot(R*cos(theta), R*sin(theta),'k--','LineWidth',1.3);El resultado permite visualizar:
6 Comparación entre vórtices reales y modelos matemáticos7 Análisis local del flujo: divergencia, rotacional y vorticidad8 Efecto de la vorticidad sobre el movimiento de un objeto flotante9 Distribución vertical de la presión en el vórtice9.1 7. Distribución vertical de la presión en el vórtice: estructura interna y representación9.2 Datos y constantes empleadasSe emplean los parámetros del vórtice proporcionados en el enunciado:
Circulación: [math]\Gamma = 2\pi R v_\theta(R) = 1.4137\times10^5\ \mathrm{m^2/s}[/math] Rotación sólida interior: [math]\Omega = v_\theta(R)/R = 0.36\ \mathrm{s^{-1}}[/math] 9.3 Cálculo del campo de presión p(\rho,z) en todo el dominioLa velocidad tangencial del vórtice de Rankine es: [math] v_\theta(r)= \begin{cases} \Omega r, & r\le R,\\ \dfrac{\Gamma}{2\pi r}, & r\gtR. \end{cases} [/math] La presión, obtenida a partir de las ecuaciones de Euler para flujo estacionario, es: [math] p(\rho,z)= \begin{cases} P_0 + \tfrac12 \rho\, v_\theta^2(\rho)\; -\; \rho g z, & \rho \le R,\\[6pt] P_\infty - \tfrac12 \rho\, v_\theta^2(\rho)\; -\; \rho g z, & \rho \gt R. \end{cases} [/math] Exigiendo continuidad en la frontera del núcleo: [math] P_\infty = P_0 + \rho\, v_\theta^2(R) [/math] Cálculo numérico: [math]\rho\, v_\theta^2(R) = 99.225\ \mathrm{mbar}[/math] Por tanto: [math]P_\infty = 1019.225\ \mathrm{mbar}[/math] El término hidrostático hasta [math]z_0[/math] vale: [math]\rho g z_0 = 336.48\ \mathrm{mbar}[/math] Interpretación de la figura: El mapa de presión presenta una depresión central profunda que aumenta radialmente hasta [math]P_\infty[/math]. Con la altura, la presión disminuye casi linealmente debido al término hidrostático. Esto coincide con la gráfica mostrada en el código MATLAB del enunciado. 9.3.1 Referencias del apartado
9.4 (9) Caída de presión entre el exterior y el centro del ojoLa caída pedida es: [math] \Delta p = p(R^+,0) - p(0,0) [/math] Dado que: [math] p(R^+,0)=P_\infty - \tfrac12 \rho v_\theta^2(R) [/math] y [math] P_\infty = P_0 + \rho v_\theta^2(R) [/math] Sustituyendo: [math] p(R^+,0)=P_0 + \tfrac12 \rho v_\theta^2(R) [/math] Entonces: [math] \Delta p = \tfrac12 \rho v_\theta^2(R) = 49.6125\ \mathrm{mbar} [/math] Comparación con: [math]P_\infty - P_0 = 99.225\ \mathrm{mbar}[/math] Conclusión: Los valores no coinciden. El modelo de Rankine reparte el incremento total de presión entre dos regiones: la transición entre el centro y [math]R[/math], y entre [math]R[/math] y el exterior lejano. Esto introduce un factor 2 entre ambas magnitudes. Es una consecuencia directa de la idealización del vórtice (flujo inviscido, eje perfectamente recto, simetría cilíndrica exacta). 9.4.1 Referencias del apartado (9)
9.5 (10) Diferencia de presión estándar [math]\Delta P = P_\infty - P_0[/math]Modelo teórico: [math]\Delta P_{\text{teórico}} = P_\infty - P_0 = 99.225\ \mathrm{mbar}[/math] Datos atmosféricos estándar: [math]\Delta P_{\text{datos}} = 1013.25 - 920 = 93.25\ \mathrm{mbar}[/math] La diferencia entre ambos valores es de unos 6 mbar (~6.7%). 9.5.1 ¿Es aceptable la discrepancia?Sí, teniendo en cuenta que el modelo:
Por tanto, un error del orden del 5–10% es completamente razonable para un modelo idealizado como el de Rankine. 9.5.2 Referencias del apartado (10)
10 Gradiente de presión y dirección de las fuerzas impulsoras del flujodp_drho = zeros(size(p));
dp_dz = zeros(size(p));
dp_drho(:,2:end-1) = (p(:,3:end) - p(:,1:end-2))/(2*dr);
dp_drho(:,1) = (p(:,2) - p(:,1))/dr;
dp_drho(:,end) = (p(:,end) - p(:,end-1))/dr;
dp_dz(2:end-1,:) = (p(3:end,:) - p(1:end-2,:))/(2*dz);
dp_dz(1,:) = (p(2,:) - p(1,:))/dz;
dp_dz(end,:) = (p(end,:) - p(end-1,:))/dz;
% Campo de fuerza ~ -∇p
U = -dp_drho; % radial
W = -dp_dz; % vertical
% Muestreo para quiver
step_r = 10; step_z = 6;
RH_q = RH(1:step_z:end,1:step_r:end);
Z_q = Z(1:step_z:end,1:step_r:end);
U_q = U(1:step_z:end,1:step_r:end);
W_q = W(1:step_z:end,1:step_r:end);
% Normalización (solo dirección)
modF = sqrt(U_q.^2 + W_q.^2); modF(modF==0) = 1;
U_n = U_q./modF; W_n = W_q./modF;
% FIGURA
figure;
contourf(rho_vec,z_vec,p_mbar,25,'LineColor','none');
colormap turbo;
cb = colorbar; cb.Label.String = 'Presión (mbar)';
hold on;
% Campo -∇p
quiver(RH_q,Z_q,U_n,W_n,0.7,'k','LineWidth',1.1);
% Frontera del núcleo (rho = R_core)
plot([R_core R_core],[0 z_top],'w--','LineWidth',1.8);
set(gca,'YDir','normal');
xlabel('\rho (m)');
ylabel('z (m)');
title('Gradiente de presión en seccion vertical del tornado EF4');
axis([0 1000 0 z_top]);
10.1 8. Gradiente de presión y dirección de las fuerzas impulsoras del flujo10.1.1 El gradiente de presión y su representaciónEn la figura proporcionada (campo quiver ya generado), se observa claramente cómo la presión disminuye hacia el núcleo del vórtice, representada por el mapa de colores donde los tonos cálidos indican mayor presión y los tonos fríos menor presión. La física del vórtice muestra que el gradiente de presión es la magnitud que determina la fuerza que impulsa el flujo según la relación: Fuerza por gradiente de presión → –∇p Esto implica que el aire siempre es acelerado desde zonas de mayor presión hacia zonas de menor presión. En tu representación vertical del vórtice: Las flechas negras del quiver apuntan hacia la izquierda y hacia arriba cerca del núcleo. Esto confirma que el gradiente de presión horizontal domina y dirige el flujo hacia el centro de baja presión. La disminución vertical de presión es también notable, evidenciada por la transición del campo desde valores cercanos a 1000 mbar en niveles bajos a presiones menores en altura. En resumen: El gradiente de presión apunta predominantemente hacia el núcleo del vórtice, lo cual coincide con el comportamiento de los flujos intensos en tornados y ciclones mesoescalares. 10.1.2 Las direcciones predominantes del campo de fuerzasLas fuerzas que gobiernan el flujo en un vórtice atmosférico son principalmente: Fuerza debida al gradiente de presión Fuerza centrífuga (importante en el marco en rotación) Fuerza de Coriolis (despreciable en tornados por su pequeña escala, relevante solo en ciclones) A la luz de tu figura: Las flechas muestran una inclinación ascendente, típica del transporte vertical inducido por la depresión del núcleo. Horizontalmente, las flechas convergen hacia la zona de baja presión (lado izquierdo del gráfico). Esto indica que el campo de fuerzas está dominado por la fuerza por gradiente de presión, con una ligera contribución centrífuga que curva el flujo. Por tanto, las direcciones predominantes del campo de fuerzas son: Horizontales hacia el eje del vórtice Verticales ascendentes, producto del gradiente vertical y del ascenso inducido 10.1.3 Las superficies isobáricas y su interpretación físicapara graficas Las superficies isobáricas son superficies tridimensionales donde la presión se mantiene constante. En tu caso, buscamos las correspondientes a: 950 mbar 970 mbar 990 mbar 1000 mbar A partir de la figura: La paleta de colores sirve como guía para identificar dónde se alcanzan esos niveles de presión. Cerca del núcleo, las superficies isobáricas se curvan hacia abajo debido a la fuerte depresión central. En niveles exteriores, estas superficies se vuelven más horizontales, reflejando un flujo más estable lejos del vórtice. Interpretación física: Las isóbaras comprimidas cerca del núcleo indican un gradiente muy intenso, asociado a velocidades elevadas. La forma cóncava hacia abajo del centro indica la existencia de un núcleo de baja presión, responsable del ascenso del aire. Las isóbaras exteriores suavizadas representan zonas donde el flujo pierde intensidad y el gradiente se debilita. En definitiva, las superficies isobáricas permiten leer visualmente la estructura energética del vórtice, mostrando cómo se distribuye la baja presión en altura y radialmente. 10.1.4 ReferenciasWallace, J.M. & Hobbs, P.V. (2006). Atmospheric Science: An Introductory Survey. Usado para: descripción física del gradiente de presión, dinámica del flujo atmosférico y comportamiento del viento en sistemas rotatorios. https://doi.org/10.1016/B978-012732951-2/50007-0 Bluestein, H. (1993). Tornado Dynamics – Vol. II of Severe Convective Storms. Usado para: estructura interna de tornados, interpretación de isóbaras y gradientes intensos en vórtices. https://books.google.com/books?id=tNZ0AwAAQBAJ Emanuel, K. (1994). Atmospheric Convection. Usado para: campo de fuerzas en vórtices convectivos y explicación del transporte vertical asociado a núcleos de baja presión. https://books.google.com/books?id=1eJ7AAAAMAAJ 11 Fuerzas inducidas por el gradiente de presión e impacto estructural12 Otros vórtices atmosféricos |