El flujo de la innovación

El Laboratorio de Hidráulica de Georgia Tech estudia la dinámica de fluidos ambientales en varias disciplinas STEM

Un delgado chorro de agua sale a chorros de un eslabón suelto de tubería de PVC y rocía el piso. "¿Está bien?" pregunta alguien, señalando la ruptura en miniatura.

Andy Udell, gerente senior de instalaciones de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE), observa el derrame y se encoge de hombros. "No. Pero está bien. Se supone que debes tener agua en el piso del laboratorio de hidráulica".

Al entrar al Laboratorio de Hidráulica de CEE, ubicado en el costado del Edificio Jesse W. Mason, queda impresionado por su gran cantidad de espacio: 14,000 pies cuadrados. Los techos expansivos enmarcan una red de tuberías azules que se cruzan. A la izquierda hay un tanque enorme, rodeado de varios equipos de instrucción y una pared de artefactos antiguos, curiosidades históricas transportadas desde el espacio de laboratorio anterior en el edificio Old Civil Engineering. A la derecha, la habitación está dividida por cercas de alambre, creando áreas para pizarras blancas, bancos de trabajo y canales, uno que se extiende a 14 pies de ancho.

Debajo del equipo de investigación y bancos de trabajo cuidadosamente construidos se encuentran 20,000 galones de agua, la mayoría de los cuales residen en un sumidero que se extiende por todo el laboratorio. El agua fluye hacia los experimentos a través de las tuberías superiores y se descarga en un depósito subterráneo que está conectado al tanque azul que se eleva sobre el funcionamiento interno del laboratorio. Una plataforma de piso de concreto y líneas de placas de acero separa el laboratorio del agua.

Udell ha mantenido el Laboratorio de Hidráulica desde 1998, además de otros siete espacios alrededor del campus.

"El Laboratorio de Hidráulica de Georgia Tech es famoso por la investigación histórica histórica que se ha realizado aquí a lo largo de los años", dijo Udell. "Hay varios como este en todo el país, pero esta es una de las instalaciones mejor equipadas de su tipo".

El edificio Mason se construyó en 1968 después de que CEE superó sus instalaciones anteriores en el antiguo edificio de ingeniería civil con vista a Freshman Hill. Georgia Tech necesitaba un espacio de laboratorio dedicado a la investigación en dinámica de fluidos ambientales, por lo que se construyó el Laboratorio de Hidráulica. Si bien el laboratorio se enfoca principalmente en temas ambientales, es un espacio interdisciplinario. Estudiantes y profesores de ingeniería mecánica, biología y muchas otras escuelas en todo el campus vienen a estudiar y participar en la investigación multifacética de las instalaciones.

Una de las primeras cosas que los estudiantes y profesores pasan al entrar al laboratorio es su pared de artefactos. Hacia la izquierda hay un viejo multímetro verde con muchos diales y botones. Un corte lateral de una turbina Francis vertical se encuentra en un estante. Se utilizó para experimentos centrados en el impacto de un chorro.

Todos los artefactos están encerrados en estantes de exhibición de caoba originales, construidos por uno de los coordinadores de laboratorio en el Antiguo Edificio de Ingeniería Civil. Con su destacada exhibición de artefactos tecnológicos, el laboratorio se posiciona dentro de la rica historia de investigación e innovación de Georgia Tech.

El sumidero subterráneo se extiende por el perímetro del laboratorio y recoge el agua una vez que sale de los canales

La característica principal del Laboratorio de Hidráulica es su suministro constante de agua. La dinámica de fluidos se centra principalmente en el flujo de líquidos y gases, que se pueden modelar utilizando el flujo de agua. El objetivo del laboratorio es limitar el desperdicio mediante el uso y el reciclaje del agua de la manera más eficiente posible.

El agua utilizada en los experimentos proviene del tanque superior, que está conectado a cada experimento a través de tuberías. Cuando se activa el tanque, la tasa de flujo de agua puede alcanzar hasta 9000 galones por minuto (lo mismo que 3000 inodoros fluyendo a la vez), una característica especialmente útil para algunos de los modelos de ríos grandes utilizados en la investigación ambiental financiada por subvenciones en la instalación.

Después de que fluye a través del equipo, el agua se recicla nuevamente al sumidero. Eventualmente se dirige desde una bomba al tanque para ser utilizado nuevamente.

Los siete canales, canales estrechos y profundos, son las piezas principales del equipo del laboratorio. Están construidos con paneles de metal y plástico transparente, que muestran el movimiento del agua a medida que fluye a través del aparato. Sus tamaños van desde 15 pies de largo hasta 80 pies de largo, dependiendo del experimento.

Por ejemplo, un canal de tamaño mediano está actualmente lleno de rocas y sedimentos. Se utiliza para algunos de los experimentos de modelos a mayor escala y contiene un modelo de una estructura de aliviadero en el Distrito de Administración del Agua del Sur de Florida. El aliviadero fue diseñado para controlar la descarga de agua que fluye hacia el lecho de un río cercano.

Sin embargo, debido a planes defectuosos, el distrito otorgó una subvención de investigación a Terry Sturm, profesor emérito de CEE, para reevaluar el diseño del aliviadero. El laboratorio de Sturm construyó un modelo basado en datos históricos y usó el canal para reproducir los problemas que enfrentaba el distrito. Después de ejecutar simulaciones con diferentes condiciones de cabecera y cola, el equipo de Georgia Tech proporcionó al distrito soluciones potenciales para solucionar sus problemas de desbordamiento de agua.

Varios de los proyectos más antiguos de Sturm todavía están instalados alrededor del Laboratorio de Hidráulica. El canal más grande del laboratorio, de 14 pies de ancho y 80 pies de largo, todavía contiene los restos de un modelo del sitio del puente Macon de la investigación del profesor.

El tanque superior puede almacenar 20,000 galones de agua, dispensándola a una velocidad máxima de 9,000 galones por minuto.

Un canal de laboratorio que contiene los restos de un modelo del sitio del puente Macon

Este canal contiene un modelo de una estructura de aliviadero en el Distrito de Administración del Agua del Sur de Florida

Gran parte de la investigación actual del Laboratorio de Hidráulica se lleva a cabo en el lado derecho de las amplias instalaciones, detrás de pasillos con cercas de alambre que dividen diferentes grupos de laboratorio. Uno pertenece al equipo del profesor asistente Chris Lai. Está investigando la dinámica del fluido térmico del derretimiento del hielo glacial. Según Lai, aproximadamente el 60% del aumento del nivel del mar observado en las últimas dos décadas proviene del derretimiento del hielo polar. Para predecir con precisión los niveles globales futuros, el laboratorio tiene como objetivo comprender primero la forma única en que el hielo glacial de agua dulce interactúa con el agua salada del océano a medida que se derrite simulando el entorno polar actual y midiendo la tasa de derretimiento.

La configuración del laboratorio incluye un congelador grande para crear hielo glacial simulado, un recipiente de almacenamiento transparente para realizar los experimentos y una sala con un láser pulsado de alta velocidad que se usa para medir las velocidades del fluido del agua derretida, por lo tanto, las tasas de fusión, a través de velocimetría de imágenes de partículas. El espacio está rodeado por paredes de paneles de aluminio blanco, cubiertos de arriba a abajo con cálculos de marcador de borrado en seco, que en su mayoría están relacionados con los detalles de los experimentos.

El laboratorio de Lai también usa uno de los canales de tamaño mediano para simular el flujo del viento a través de un bosque con aplicaciones en la predicción de escenarios de incendios forestales. Esto puede ayudar a determinar qué tan rápido se propaga el fuego según la velocidad del viento y las diferentes densidades del follaje. Para modelar con precisión un entorno forestal, el equipo imprimió modelos de árboles en 3D con ramificaciones fractales de tres puntas para actuar como ramas y simular las copas de los árboles.

Dado que el aire y el agua se mueven de la misma manera, las mediciones del flujo de agua a través del bosque modelo pueden predecir con precisión el movimiento del aire a través de un bosque real durante un incendio a gran escala. El equipo utiliza velocimetría de imagen de partículas para medir la velocidad del fluido en diferentes áreas del bosque. Lai enfatiza la importancia de estudiar el flujo a través de diferentes partes del bosque en lugar de mirar el bosque como un todo inmutable.

"Nuestro experimento analiza el flujo en el nivel superior del bosque, en el dosel, y lo compara con el flujo a nivel del suelo", dijo Lai. "Estos son los matices que debe investigar antes de pasar a preguntas más importantes, como qué tan rápido se propaga el fuego en general o cuánto dióxido de carbono se liberará en el dosel del bosque".

El laboratorio de Lai usa un canal para su simulación de incendios forestales

Los canales y los láseres no son los únicos equipos de investigación que se utilizan en el laboratorio. Angelica Connor, asistente de investigación graduada en el laboratorio del presidente de la escuela CEE, Don Webster, utiliza una configuración de imágenes en 3D para observar los campos de movimiento y flujo alrededor del zooplancton que nada libremente en el agua del océano.

Connor usa una habitación pequeña con clima controlado fuera del espacio principal del Laboratorio de Hidráulica para crear su aparato de imágenes: cámaras colgadas en diferentes ángulos, todas apuntando hacia un pequeño tanque hexagonal que contiene el zooplancton. Esta configuración puede tomar una serie de imágenes 2D desde diferentes ángulos que le permiten a Connor calcular el movimiento 3D de las partículas de agua y el zooplancton durante un cierto período de tiempo. También utiliza un láser de alta potencia para mediciones de velocimetría de imágenes de partículas, y puede crear gráficos que visualizan datos como la rapidez con la que nada el zooplancton y los campos de flujo que se forman a su alrededor.

Connor ha estado experimentando recientemente con pequeños robots de zooplancton que pueden moverse de manera similar a las criaturas submarinas utilizando campos magnéticos instalados alrededor del tanque de observación. Aunque está estudiando en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, Connor usó su comprensión de las máquinas para crear su configuración de imágenes en 3D y el robot zooplancton.

El laboratorio principal de Webster, ubicado en el extremo izquierdo del Laboratorio de Hidráulica, también estudia los campos de flujo de zooplancton en 2D y las interacciones entre copépodos y turbulencias utilizando un vórtice de Berg.

Aparato de cámara 3D de Connor

El laboratorio no solo se utiliza para la investigación. Gran parte del lado izquierdo de la instalación se enfoca en la instrucción de pregrado a través del Laboratorio de Enseñanza de Pregrado Donovan de CEE. Las clases de CEE de nivel superior incluyen instrucción sobre diferentes aspectos del flujo de fluidos a través de demostraciones como experimentos con aceite rojo y salto hidráulico. Los estudiantes pueden usar varios dispositivos de medición como el venturi y los medidores de orificio para medir el flujo.

"Se están realizando muchas investigaciones en el laboratorio, no solo para avanzar en el conocimiento, sino también para avanzar en la instrucción y las técnicas de enseñanza", dijo el profesor Hermann Fritz. Su investigación sobre tsunamis y otros desastres naturales se lleva a cabo principalmente en la cuenca de olas de tsunami en las instalaciones de la Infraestructura de Investigación de Ingeniería de Riesgos Naturales (NHERI) de la Universidad Estatal de Oregón, pero también enseña CEE 4200, Ingeniería Hidráulica, que tiene un componente de laboratorio obligatorio en el Laboratorio de Hidráulica. .

Los estudiantes de pregrado aprenden sobre el espacio del Laboratorio de Hidráulica en clases como CEE 4200

Fritz ha estado trabajando para incorporar nuevas tecnologías en los cursos de laboratorio de CEE. Recientemente, actualizó las técnicas de medición utilizadas en la demostración del experimento de salto hidráulico de métodos más clásicos a una versión más nueva y de bajo costo de velocimetría de imágenes de partículas. En lugar de usar láseres, Fritz usa una hoja de luz de fibra óptica para iluminar las burbujas en el agua y capturar la velocidad del flujo en diferentes ubicaciones de canales.

"Todavía es necesario conocer los métodos clásicos de medición cuando se realiza trabajo de campo, pero es útil para los estudiantes echar un vistazo a las mediciones de flujo de agua de velocidad resuelta o espacial y temporal, que es algo que normalmente no harían", dijo Fritz. .

Cálculos de Lai y Udell para la mejora de una cuenca de aguas poco profundas