Regímenes de flujo

El flujo de un Liquido o de un gas a traves de TUBERIAS o ductos se usa comunmente en sistemas de calefaccion y enfriamiento y en redes de distribucion de fluido .El fluido en estas aplicaciones usualmente se fuerza a fluir mediante un ventilador o bomba a traves de una seccion de flujo . se pone particular atencion a la friccion , que se relaciona directamente con la caida de presion ylas perdidad de carga durante el flujo a traves de tuberias y ductos.Entonces la caida de presion se usa para determinar la potencia necesaria de bombeo . Un sistema de tuberias tipico infcluye tuberias de diferentes diametros , unidas entre si mediante varias uniones o codos para dirigir el fluido , Valvulas para controlar la razon de flujo y bombas para presurizar el fluido .

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO .

alguna vez el lector a estadi rodeado por fumadores , quizas gabra observado que el humo de los cigarrillos se eleva en una pluma suave surante los primeros centimetros y luego comienza a fluctuar aleatoriamente en todas direcciones conforme continua elevandose . Otras plumas se conportan de manera similar. de igual modo , una inspeccion cuidadosa del flujo en una tuberias revela que el flujo de fluidos es de lineaas de corriente aproximadamente paralelas a bajas evlocidades , pero se vuelve caotico conforme la velocidad aumenta sobre un valor critico , se dice que es un Regimen laminar cuando se caracteriza por lineas de corriente suave y movimientos sumamente ordenados ; mientras que el REGIMEN TURBULENTO se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimiento tambien desordenado.La transicion de flujo laminar a turbulento no ocurre repentinamente ; mas bien sucede sobre cierta region en la que el flujo fluctua entre flujos laminar y tubulento antes de  volverse totalmente turbulento .

FLUJO LAMINAR

El flujo laminar es más predecible, y existen varias leyes que describen su comportamiento. Su nombre obedece a que las moléculas parecen desplazarse en láminas de igual velocidad, que se envuelven unas a otras en forma concéntrica:

IMAGEN 3 COMPORTAMIENTO EN FLUJO LAMINAR  

La lámina más externa es la más lenta, debido a que está en contacto con la pared del conducto, y el rozamiento la frena. La lámina siguiente -hacia el centro- se desplaza un poco más rápido; y así hasta el centro, donde se halla la columna más veloz de la corriente. Se puede deducir sin demasiada dificultad que las velocidades de las láminas se distribuyen en forma cuadrática: acá te muestro un esquema de un corte longitudinal de una manguera mientras circula un fluido real en forma laminar:

IMAGEN 4. DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES 

Las flechas representan  la velocidad de las moléculas de fluido ubicadas en sus respectivas láminas .cuando hablemos de la velocidad del fluido nos estaremos refiriendo a un promedio de todas las velocidades de todas las láminas . cuando mas viscoso sea un fluido , mayor sea la diferencia de velocidad entre las láminas.y cuanto mas se aproxime a cero la viscosidad del fluido menor diferencia de velocidad habrá entre sus moléculas. en una situación extrema-ideal la velocidad de todas las moléculas es idéntica

IMAGEN 5. FLUJO LAMINAR ESTACIONARIO

FLUJO TURBULENTO

El flujo turbulento es mas comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.

También se presenta como tema de aplicación la turbulencia atmosférica y la dispersión de contaminantes.

En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas. El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales.

La turbulencia según la definición de Taylor y von Kármán, puede producirse por el paso del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra.

Tipos de turbulencia :

* Turbulencia de pared : generada por efectos viscosos debida a la existencia de paredes.

* Turbulencia libre : producida en la ausencia de pared y generada por el movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades.

Diferentes teorías han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia.  Algunas explican que la turbulencia es debida a la formación de vórtices en la capa límite, como consecuencia de los disturbios que se generan por discontinuidades bruscas existentes en la pared ; mientras que otras teorías atribuyen la turbulencia a la influencia del esfuerzo cortante, cuando se presenta un gradiente de velocidades con discontinuidades bruscas. Sin embargo a pesar de las múltiples investigaciones, los resultados obtenidos sobre el desarrollo de la turbulencia no son totalmente satisfactorios, ya que solo pueden estudiarse experimental y teóricamente como un fenómeno estadístico.

IMAGEN 6. FLUJO TURBULENTO ESTACIONARIO

NUMERO DE REYNOLDS 

La transicion de flujo laminar a turbulento depende de la geometria , la rugosidad de la superficie , la velocidad del flujo , la temperatura de la superficie y el tipo de fluido , entre otros factores. Despues de experimentos exhaustivos en los años de 1880 , osborne reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razon de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido . Esta razón se llama Numero de reynolds y se expresa para flujo interno en una tuberia ciruclar como :

ECUACIÓN 3 .FORMULA PARA REYNOLDS

Donde Vprom=velocidad de flujo promedio (m/s), D= diametro, y v=viscosidad cinemática del fluido(m2/s). note que el numero de Reynolds es una cantidad adimensional . ademas la viscosidad cinemática tiene la unidad m2/s .
 A números grandes de reynolds , las fuerzas inerciales , que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido , son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas las fuerzas viscosas no pueden evitar las aleatorias y rapidas fluctuaciones del fluido. sin embrago , a números grandes de reynolds pequeños o moderados , las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido en "linea" . por lo tanto el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo .


Es deseable tener valores precisos de números de reynolds para flujos laminar , transicional y turbulento , pero este no es el caso en la practica. es evidente que la transición de flujo laminar a turbulento depende también el grado de perturbación del flujo por la rugosidad de la superficie , las vibraciones de la tubería y las fluctuaciones en el flujo . en la mayoría de las condiciones practicas el flujo en una tubería circular es laminar , turbulento y transcicional para los siguientes valores de reynolds:

IMAGEN 7. PARÁMETROS PARA CLASIFICAR FLUJOS

en el flujo transicional . el flujo cambia entre laminar y turbulento de manera aleatoria. se debe tener en  mente que el flujo laminar se pueden , mantener en números de Reynolds mucho mas altos en tuberías muy lisas cuando se evitan perturbaciones de flujo y la vibraciones de tubería.

BIBLIOGRAFIA

• Flujo turbulento y laminar en http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/flujotturbulento/flujoturbulento.html 

• Numero de Reynolds en CENGEL, Y. (2006). mecanica de fluidos. mexico: Mc Graw-hill.Pag 323