Fluidos turbulentos
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Este documento describe los flujos turbulentos, los cuales son los más comunes en ingeniería. En estos flujos, las partículas se mueven de manera errática y caótica, transfiriendo cantidad de movimiento entre sí. La turbulencia causa mayores esfuerzos cortantes y pérdidas de energía en comparación con flujos laminares. Factores como alta rugosidad, turbulencia en el flujo de entrada, gradientes de presión adversos y calentamiento de superficies pueden hacer que un flujo se torne turbulento. El número de Reynolds, que
Fluidos turbulentos
- 1. FLUIDOS TURBULENTOS Este tipo de flujo es el que más se presenta en la práctica de ingeniería. En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra, de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor. En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, del orden de unos cuantos millares de moléculas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos en un gran remolino dentro de un río o en una ráfaga de viento. Cuando se compara un flujo turbulento con uno que no lo es, en igualdad de condiciones, se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad. La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la ley de Newton de la viscosidad: Dónde: : viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su densidad. En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante: En donde se necesita recurrir a la experimentación para determinar este tipo de escurrimiento. Factores que hacen que un flujo se torne turbulento: La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento.
- 2. Alta turbulencia en el flujo de entrada. En particular para pruebas en túneles de viento, hace que los resultados nunca sean iguales entre dos túneles diferentes. Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos, penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan". Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del concepto de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento. Figura 1: campo de velocidades de un fluido Ejemplos y aplicaciones En hidráulica se ven más en las corrientes de agua a través de un canal en una presa, y en el desvió de dicha agua hacia una presa. Otro ejemplo que vemos todos los días son las corrientes atmosféricas del planeta, que pertenecen a esta categoría. Definición de flujo turbulento mediante el número de Reynolds El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo. El primer parámetro es una escala de longitud del campo de flujo, como el espesor de una capa límite o el diámetro de una tubería. Si dicha escala de longitud es lo bastantemente grande, una perturbación del flujo podría
- 3. aumentar y el flujo podría volverse turbulento. El segundo parámetro es una escala de velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad; si la velocidad es lo bastante grande el flujo podría ser turbulento. El tercer parámetro es la viscosidad cinemática; si la viscosidad es lo bastante pequeña, el flujo puede ser turbulento. Estos tres parámetros se combinan en un solo parámetro conocido como el número de Reynolds (R), con el cual se puede predecir el régimen de flujo, si R > 4000 el flujo será turbulento.