Clasificación de Flujos en Mecánica de Fluidos: Tipos y Características Esenciales

Clasificación de Flujos en Mecánica de Fluidos

Los flujos de fluidos se pueden clasificar según diversas características fundamentales:

• Unidimensional, bidimensional y tridimensional
• Viscosos e inviscidos
• Laminar y turbulento
• Incompresible y compresible

Flujos Unidimensionales, Bidimensionales y Tridimensionales

Según la descripción Euleriana, los flujos son inherentemente tridimensionales, donde el vector de velocidad depende de las tres coordenadas espaciales y el tiempo: V = V(x, y, z, t).

Aunque un flujo es considerado continuo, permanece como tridimensional en su naturaleza fundamental.

• Con frecuencia, un flujo tridimensional puede ser representado como bidimensional. Un flujo bidimensional es aquel donde el vector de velocidad depende solo de dos variables espaciales, por ejemplo: V = V(x, y).
• Un flujo unidimensional es aquel en el que el vector de velocidad depende solo de una variable espacial.

Este tipo de flujo (unidimensional) ocurre comúnmente en tubos largos o entre superficies paralelas.

Estos flujos pueden considerarse flujos desarrollados, lo que significa que los perfiles de velocidad no varían con respecto a la coordenada espacial en la dirección del flujo.

Un flujo uniforme es la simplificación de un campo de flujo donde la velocidad y otras propiedades del fluido permanecen constantes en toda el área. Esta suposición se hace cuando la velocidad se mantiene esencialmente constante en toda el área de interés.

Flujos Viscosos e Inviscidos

En función de su viscosidad, un fluido puede ser clasificado como viscoso o inviscido.

• Un fluido inviscido es aquel en el que los efectos viscosos no influyen significativamente en el flujo y, por lo tanto, son ignorados. Para un fluido inviscido, se asume que la viscosidad es 0.
• Un fluido viscoso es aquel donde los efectos de viscosidad son importantes y no pueden ser ignorados.

Es más difícil crear un flujo inviscido en la realidad, porque todos los fluidos de interés (agua, aire, etc.) tienen viscosidad.

En el estudio de fluidos inviscidos, se encontró que la principal clase de flujos que puede ser modelada como inviscida son los flujos externos. Un flujo externo es aquel que fluye en el exterior de un cuerpo. El efecto viscoso que pudiera existir está confinado a una delgada capa, esta capa se denomina capa límite.

Flujos Laminares y Turbulentos

La distinción entre flujo laminar y turbulento es crucial en la dinámica de fluidos:

• Un flujo laminar es aquel donde el fluido fluye sin mezclado significativo de sus partículas próximas entre sí, moviéndose en capas paralelas.
• Un flujo turbulento es aquel donde los movimientos del fluido varían irregularmente, de tal suerte que cantidades como la velocidad y la presión muestran una variación aleatoria con el tiempo y las coordenadas espaciales.

Lo que define a un flujo como turbulento o laminar es la perturbación de las componentes de la velocidad.

El régimen del flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo:

1. Una escala de longitud del campo de flujo (L).
2. Una escala de velocidad, como un promedio espacial de la velocidad (V).
3. La viscosidad cinemática (ν).

Estos tres parámetros se relacionan en una herramienta fundamental que sirve para medir el régimen de un flujo: el número de Reynolds (Re).

Re = (V * L) / ν

• Si el número de Reynolds es pequeño, el flujo es laminar.
• Si el número de Reynolds es grande, el flujo es turbulento.

Flujos Incompresibles y Compresibles

La compresibilidad es otra característica clave para clasificar los flujos:

• Un flujo incompresible existe si la densidad de cada partícula del fluido permanece relativamente constante conforme se desplaza a través del campo de flujo (dρ/dt = 0).
• Un flujo compresible es aquel donde las variaciones de densidad influyen significativamente en el flujo.