Investigadores de la UCA identifican tres formas de interacción entre torbellinos y obstáculos sólidos

El estudio sobre torbellinos y obstáculos sólidos emplea simulaciones tridimensionales para determinar cómo el tamaño y la geometría de un cilindro modifican el flujo

Un equipo de la Universidad de Cádiz (UCA) ha identificado tres comportamientos distintos en la interacción entre torbellinos y obstáculos sólidos: el vórtice puede continuar su desplazamiento con leves modificaciones, dividirse en nuevas estructuras o deformarse y extenderse sobre la superficie contra la que impacta. El resultado depende principalmente de la relación entre el diámetro del torbellino y el tamaño del objeto.

El trabajo ha sido desarrollado por Andrés Herrera Gómez, Juan Ángel Tendero Ventanas y Rodolfo Ostilla Mónico, investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial de la Escuela Superior de Ingeniería de la UCA. La investigación, cuyo origen se encuentra en un Trabajo Fin de Grado, ha sido publicada en la revista científica Journal of Fluid Mechanics y seleccionada como tema de portada.

El equipo ha estudiado mediante simulaciones numéricas tridimensionales el comportamiento de los denominados anillos de vorticidad. Estas estructuras de fluido en movimiento tienen forma de anillo —similar a una rosquilla— y se desplazan a través del medio que las rodea.

Los anillos de vorticidad aparecen en fenómenos naturales y tecnológicos como el movimiento de algunos animales en el agua, las corrientes generadas por aeronaves, las erupciones volcánicas o la circulación sanguínea. La investigación se ha centrado en analizar qué ocurre cuando estas estructuras encuentran una superficie sólida y cómo cambia su evolución en función de las dimensiones y la forma del obstáculo.

Para ello, los investigadores reprodujeron por ordenador el encuentro entre un anillo de vorticidad y un obstáculo cilíndrico. Las simulaciones abarcaron diferentes condiciones, con variaciones tanto en las dimensiones de los cilindros como en las características del flujo, lo que permitió establecer una clasificación general de los resultados.

El primer régimen se produce cuando el obstáculo es muy fino en comparación con el torbellino. En ese caso, el anillo atraviesa la zona de interacción y continúa desplazándose, aunque experimenta una ligera modificación de su forma.

Cuando el cilindro presenta un tamaño intermedio, el anillo puede dividirse y generar nuevas estructuras que avanzan en direcciones diferentes. El tercer comportamiento aparece ante obstáculos suficientemente grandes: el vórtice actúa de manera similar a cuando choca contra una pared, se deforma y se extiende a lo largo de la superficie.

La principal variable para determinar cuál de esos tres regímenes se produce es la proporción entre el tamaño del obstáculo y el diámetro del torbellino. Otras características del flujo influyen en la complejidad de las estructuras resultantes, pero esa relación de tamaños permite ordenar de forma general las distintas interacciones observadas en las simulaciones.

El estudio también analiza la reconexión de los vórtices, un proceso de la mecánica de fluidos por el que las estructuras en rotación reorganizan sus conexiones y originan configuraciones diferentes. Para examinar este fenómeno, el equipo introdujo en las simulaciones obstáculos con distintas geometrías, además de los cilindros convencionales.

Los resultados indican que la conexión entre las estructuras de vorticidad surgidas durante el contacto resulta determinante para saber si el anillo original puede reconstruirse o si, por el contrario, se forman estructuras independientes. De este modo, la evolución del flujo no está condicionada únicamente por las dimensiones del objeto, sino también por su geometría y por la organización de los torbellinos secundarios.

La investigación reúne en un mismo marco interacciones que hasta ahora se habían abordado principalmente por separado, entre ellas las de los anillos de vorticidad con cables delgados, cilindros y paredes. Esta clasificación puede utilizarse como base para posteriores estudios sobre el comportamiento de corrientes al entrar en contacto con estructuras sólidas.

El artículo, titulado ‘Vortex ring–cylinder interactions: regimes, reconnection, and the role of topology’, figura en el volumen 1043 de Journal of Fluid Mechanics. La referencia científica está firmada en 2026 por Herrera-Gómez, Tendero-Ventanas y Ostilla-Mónico.