¿Qué es el flujo interno? Definición

Flujo interno

En la dinámica de fluidos, el flujo interno es un flujo para el cual el fluido está confinado por una superficie . El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo interno es importante en ingeniería, ya que las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Los conductos no circulares se utilizan para transportar gases a baja presión, como el aire en los sistemas de refrigeración y calefacción. La configuración de flujo interno es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como las plantas de energía nuclear .

Para el régimen de flujo interno, una región de entrada es típica. En esta región, un flujo ascendente casi invisible se converge y entra al tubo. Para caracterizar esta región, se introduce la longitud de entrada hidrodinámica y es aproximadamente igual a:

La longitud máxima de entrada hidrodinámica, en Re _{D, crit}  = 2300 ( flujo laminar ), es L _e = 138d, donde D es el diámetro de la tubería. Esta es la mayor longitud de desarrollo posible. En el flujo turbulento , las capas límite crecen más rápido y L _e  es relativamente más corto. Para cualquier problema, se debe verificar L _e  / D para ver si L _e  es insignificante en comparación con la longitud de la tubería. A una distancia finita de la entrada, los efectos de entrada pueden descuidarse, porque las capas límite se fusionan y el núcleo invisible desaparece. El flujo del tubo se desarrolla completamente .

Diámetro hidráulico

Para simplificar aún más los cálculos y ampliar el rango de aplicaciones , se introduce el diámetro hidráulico :

El diámetro hidráulico, D _h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico transforma los conductos no circulares en tuberías de diámetro equivalente . Usando este término, uno puede calcular muchas cosas de la misma manera que para un tubo redondo. En esta ecuación, A es el área de la sección transversal , y P es el perímetro humedecido de la sección transversal.

La mayoría de los flujos industriales, especialmente los de la ingeniería nuclear, son turbulentos . Para el análisis de tubería recta simple, suponiendo que el flujo unidireccional, los problemas de diseño geométrico y cinemático de la tubería dependen del diagrama Moody y se pueden agrupar de la siguiente manera:

• Evalúe las características de bomba necesarias (características de QH ) en función de la caída de presión calculada Δp para transmitir un caudal máximo dado.
• Calcule una caída de presión especificada para la tubería del diámetro D, de la longitud de la tubería y el caudal dados. Este problema requiere un procedimiento iterativo porque no se conoce el número de Reynolds y, por lo tanto, el factor de fricción f.
• Calcule el caudal Q para una geometría de tubería dada (D, L, ε / D ) y la caída de presión, donde ε / D es la rugosidad relativa de la superficie. Este problema requiere un procedimiento iterativo porque no se conoce el número de Reynolds y, por lo tanto, el factor de fricción f.

Ejemplo: número de Reynolds para una tubería primaria y un haz de combustible

Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (p. Ej., 16MPa). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290 ° C (⍴ ~ 720 kg / m ³ ). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (⍴ ~ 654 kg / m ³ ) a medida que el agua fluye a través del núcleo .

El circuito primario de los PWR típicos se divide en 4 circuitos independientes (diámetro de tubería ~ 700 mm), cada circuito comprende un generador de vapory una bomba de refrigerante principal . Dentro del recipiente a presión del reactor (RPV), el refrigerante primero fluye hacia abajo fuera del núcleo del reactor (a través del tubo de bajada ). Desde el fondo del recipiente a presión, el flujo se invierte a través del núcleo, donde la temperatura del refrigerante aumenta a medida que pasa a través de las barras de combustible y los conjuntos formados por ellas.

Asumir:

• la velocidad de flujo de la tubería primaria es constante e igual a 17 m / s,
• la velocidad del flujo central es constante e igual a 5 m / s,
• el diámetro hidráulico del canal de combustible , D _h , es igual a 2 cm
• La viscosidad cinemática del agua a 290 ° C es igual a 0,12 x 10 ^-6 m ² / s

Ver también: Ejemplo: velocidad de flujo a través del núcleo del reactor

Determinar

• el régimen de flujo y el número de Reynolds dentro del canal de combustible
• El régimen de flujo y el número de Reynolds dentro de la tubería primaria

El número de Reynolds dentro de la tubería primaria es igual a:

Re _D = 17 [m / s] x 0.7 [m] / 0.12 × 10 ^-6 [m ² / s] = 99 000 000

Esto satisface completamente las condiciones turbulentas .

El número de Reynolds dentro del canal de combustible es igual a:

Re _DH = 5 [m / s] x 0.02 [m] / 0.12 × 10 ^-6 [m ² / s] = 833 000

Esto también satisface completamente las condiciones turbulentas.