Fenómenos del flujo de fluidos: Couette, Poiseuille, capa límite y turbulencia

Fenómenos fundamentales del flujo de fluidos: Couette, Poiseuille, capa límite y fenómenos asociados

Movimiento de Couette

Movimiento de Couette: Movimiento del régimen laminar estacionario de un fluido newtoniano entre una placa fija y otra paralela que se desliza a velocidad constante. Viscosímetro de Couette.

Flujo laminar

Flujo laminar: La corriente entera puede dividirse en una serie ordenada de láminas que se ajustan a su contorno.

Número de Reynolds

NºRe: Parámetro que establece la transición entre el flujo laminar y el turbulento. Aproximadamente Re > 2000 suele asociarse a régimen turbulento en tuberías (valor indicativo).

Columpio: puntos altos y bajos

Columpio — puntos altos y bajos: En los puntos más bajos la función es regular, pues corresponde a los ceros del seno. En los puntos más altos no es regular, ya que una exponencial decreciente desvía el pico del seno respecto al punto medio entre ceros contiguos.

Efecto de la velocidad sobre el régimen de flujo

Velocidad baja: flujo laminar. Velocidad alta: flujo turbulento. Las fuerzas de inercia, que son desestabilizadoras, crecen con el cuadrado de la velocidad. Las fuerzas viscosas, que son estabilizadoras, crecen con la primera potencia. A velocidades bajas dominan las fuerzas viscosas y a altas lo hacen las de inercia.

Fuerza de arrastre: ala y pelota

Fuerza de arrastre — ala / pelota: En el ala del avión procuramos mantener la capa límite en régimen laminar para minimizar los esfuerzos cortantes. En la pelota se intenta inducir la turbulencia en la capa límite para que ésta se desprenda más tarde y disminuya el arrastre de presión.

Capa límite

Capa límite: En fluidos con Re alto alrededor de un cuerpo, los efectos de la viscosidad se limitan a una región relativamente delgada llamada capa límite.

Tensiones de Reynolds

Tensiones de Reynolds: Son las que aparecen en flujos turbulentos, asociadas a las componentes de fluctuación de las velocidades. Se originan porque la conservación de la cantidad de movimiento requiere que cualquier cambio de velocidad conlleve fuerzas asociadas.

Medida de la intensidad de la turbulencia

Medida de la intensidad de la turbulencia: Longitud de mezcla de Prandtl.

Ley de la pared

Ley de la pared: Expresa que las velocidades crecen logarítmicamente con la distancia a la pared. Se obtiene al suponer que la longitud de mezcla de Prandtl es proporcional a la distancia a la pared.

Hipótesis de Prandtl

Prandtl: Es una medida de la intensidad de la turbulencia que proviene de la hipótesis de que las componentes de fluctuación de la velocidad proceden del movimiento transversal de las partículas. Nos sirve para expresar las tensiones de Reynolds (modelo de longitud de mezcla de Prandtl).

Constante de von Kármán

Von Kármán: Consiste en suponer que todas las turbulencias son semejantes variando las escalas de tiempo y longitud. Valor típico de la constante de von Kármán: 0.3–0.4.

Tubo en U: equilibrio

Tubo en U — equilibrio: Puede alcanzar el equilibrio de forma oscilatoria amortiguada si la viscosidad es baja; si la viscosidad es alta, la aproximación al equilibrio será asintótica. Los niveles tienden a equilibrarse y depende de la viscosidad del fluido.

Tubería e irregularidad

Tubería — irregularidad: La influencia de la rugosidad de la tubería depende del espesor de la capa que está en régimen laminar (esa capa depende de la velocidad del fluido). E << rugosa, E >> lisa, E = intermedia.

Coeficiente de Darcy

Coeficiente de Darcy f: Es el coeficiente adimensional que usamos para cuantificar la pendiente motriz y los esfuerzos cortantes en contacto con la tubería. Puede depender del número de Reynolds y de la rugosidad específica.

Chimenea

Chimenea: Pozo comunicado con la atmósfera que se introduce cerca de la válvula. Permite cerrar más rápido sin experimentar sobrepresiones.

Mitigar el golpe de ariete

Mitigar golpe de ariete: Con un cierre lento (es decir, un tiempo de cierre largo comparado con el propio del sistema). Si esto fuera inadmisible, puede disminuirse el período propio introduciendo una chimenea de equilibrio cerca de la válvula.

Ariete hidráulico

Ariete: Se produce porque la cantidad de movimiento se transmite en un tiempo corto (el que tardan las ondas de compresión en ir y volver a lo largo del conducto). Eso hace que la fuerza ejercida sea breve pero grande.

Ley de Stokes

Stokes: Proporciona la fuerza de interacción entre una esfera y un fluido en movimiento relativo con ella. Se supone que el movimiento es tan lento que pueden despreciarse las fuerzas de inercia. Válido para Re < 1.

Movimiento de Poiseuille

Movimiento de Poiseuille: Movimiento laminar de un fluido incompresible en régimen estacionario en una tubería rectilínea de sección circular. La distribución de velocidades en la sección es parabólica y la pendiente motriz es proporcional a la velocidad media.

Componentes de fluctuación de la velocidad

Componentes de fluctuación de la velocidad: Son las variaciones que experimenta la velocidad respecto a su valor medio sostenido en el tiempo. La conservación de la cantidad de movimiento relaciona las fuerzas con los cambios de velocidad. Las tensiones de Reynolds son las tensiones asociadas a las componentes de fluctuación de la velocidad.

Resumen y notas

• Mantener la capa límite laminar reduce los esfuerzos cortantes, pero en algunos cuerpos (como una esfera) inducir turbulencia puede reducir el arrastre de presión por retrasar el desprendimiento.
• La longitud de mezcla de Prandtl y la hipótesis de von Kármán son herramientas básicas para modelar perfiles de velocidad en flujo turbulento cercano a paredes.
• El coeficiente de Darcy y la rugosidad de la tubería son críticos para calcular pérdidas de carga en sistemas reales.

Créditos

Texto original corregido y organizado para claridad y coherencia terminológica en la mecánica de fluidos.