¿Qué es el flujo laminar? Flujo viscoso: definición

El flujo laminar se caracteriza por caminos suaves o regulares de partículas del fluido. El flujo laminar también se conoce como flujo aerodinámico o flujo viscoso. Ingenieria termal

Flujo laminar

En la dinámica de fluidos, el flujo laminar se caracteriza por trayectorias suaves o regulares de partículas del fluido, en contraste con el flujo turbulento, que se caracteriza por el movimiento irregular de las partículas del fluido. El fluido fluye en capas paralelas (con una mezcla lateral mínima), sin interrupción entre las capas. Por lo tanto, el flujo laminar también se conoce como flujo aerodinámico o flujo viscoso .

El término flujo de línea de corriente es descriptivo del flujo porque, en el flujo laminar, las capas de agua que fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades sin prácticamente mezclarse entre capas, las partículas de fluido se mueven en rutas o líneas de corriente definidas y observables.

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado como una tubería o entre dos placas planas, puede ocurrir cualquiera de los dos tipos de flujo (flujo laminar o flujo turbulento) dependiendo de la velocidad , la viscosidad del fluido y el tamaño de la tubería . El flujo laminar tiende a ocurrir a velocidades más bajas y alta viscosidad . Por otro lado, el flujo turbulento tiende a ocurrir a velocidades más altas y baja viscosidad.

Dado que el flujo laminar es común solo en los casos en que el canal de flujo es relativamente pequeño, el fluido se mueve lentamente y su viscosidad es relativamente alta, el flujo laminar no es común en los procesos industriales. La mayoría de los flujos industriales, especialmente los de la ingeniería nuclear, son turbulentos. Sin embargo, el flujo laminar ocurre en cualquier número de Reynolds cerca de los límites sólidos en una capa delgada justo al lado de la superficie, esta capa generalmente se conoce como la subcapa laminar y es muy importante en la transferencia de calor.

A pesar del pequeño grosor de la subcapa laminar (generalmente mucho menos del 1 por ciento del diámetro de la tubería), ya que influye fuertemente en el flujo en el resto de la tubería. Cualquier irregularidad o aspereza en la superficie perturba esta capa y afecta significativamente el flujo. Por lo tanto, a diferencia del flujo laminar, el factor de fricción en el flujo turbulento es una función importante de la rugosidad de la superficie.

Numero Reynolds

El número de Reynolds es la relación de fuerzas de inercia a fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulento . Se puede interpretar que cuando las fuerzas viscosas son dominantes (flujo lento, baja Re) son suficientes para mantener todas las partículas de fluido en línea, entonces el flujo es laminar. Incluso Re muy bajo indica movimiento de arrastre viscoso, donde los efectos de inercia son insignificantes. Cuando las fuerzas de inercia dominan sobre las fuerzas viscosas (cuando el fluido fluye más rápido y Re es más grande), el flujo es turbulento.

número de Reynolds

Es un número adimensional compuesto por las características físicas del flujo. Un número creciente de Reynolds indica una turbulencia creciente del flujo.

Se define como:
Número de Reynolds

donde:
V es la velocidad del flujo,
D es una dimensión lineal característica (longitud recorrida del fluido; diámetro hidráulico, etc.)
ρ densidad del fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidad dinámica (Pa.s),
ν viscosidad cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento

Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento

Flujo laminar:

  • Re <2000
  • velocidad ‘baja’
  • Las partículas fluidas se mueven en línea recta.
  • Las capas de agua fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades sin prácticamente mezclarse entre capas.
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo laminar en tuberías circulares es de forma parabólica, con un flujo máximo en el centro de la tubería y un flujo mínimo en las paredes de la tubería.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente la mitad de la velocidad máxima.
  • El análisis matemático simple es posible.
  • Raras en la práctica en sistemas de agua .

Flujo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidad
  • El flujo se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido.
  • El movimiento promedio está en la dirección del flujo
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo turbulento es bastante plano a través de la sección central de una tubería y cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente igual a la velocidad en el centro de la tubería.
  • El análisis matemático es muy difícil.
  • El tipo de flujo más común .
Velocidad promedio Vavg se define como la velocidad promedio a través de una sección transversal.  Para un flujo de tubería laminar completamente desarrollado, Vavg es la mitad de la velocidad máxima.
Velocidad promedio Vavg se define como la velocidad promedio a través de una sección transversal. Para un flujo de tubería laminar completamente desarrollado, Vavg es la mitad de la velocidad máxima.

Regímenes de números de Reynolds

régimen de flujoFlujo laminar. Para fines prácticos, si el número de Reynolds es menor que 2000 , el flujo es laminar. El número de transición aceptado de Reynolds para el flujo en una tubería circular es Re d, crit = 2300.

Flujo transitorio. En los números de Reynolds entre aproximadamente 2000 y 4000, el flujo es inestable como resultado del inicio de la turbulencia. Estos flujos a veces se denominan flujos de transición.

Flujo turbulento. Si el número de Reynolds es mayor que 3500 , el flujo es turbulento. La mayoría de los sistemas de fluidos en instalaciones nucleares operan con flujo turbulento.

Flujo Laminar – Coeficiente de Transferencia de Calor

Flujo Laminar Externo

El número promedio de Nusselt en toda la placa está determinado por:

flujo laminar - placa plana - número nusselt

Esta relación da el coeficiente promedio de transferencia de calor para toda la placa cuando el flujo es laminar sobre toda la placa.

Flujo Laminar Interno

Temperatura de superficie constante

En el flujo laminar en un tubo con temperatura de superficie constante, tanto el factor de fricción como el coeficiente de transferencia de calor permanecen constantes en la región completamente desarrollada.

Flujo Laminar - Tubo Circular - temperatura

Flujo de calor de superficie constante

Por lo tanto, para un flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular sometido a un flujo de calor superficial constante , el número de Nusselt es constante. No hay dependencia de los números de Reynolds o Prandtl .

Flujo Laminar - Tubo Circular - flujo

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