¿Qué es el flujo turbulento? Definición

El flujo turbulento se caracteriza por el movimiento irregular de partículas (se puede decir caótico) del fluido. El flujo turbulento tiende a ocurrir a velocidades más altas, baja viscosidad. Ingenieria termal

Flujo turbulento

En la dinámica de fluidos, el flujo turbulento se caracteriza por el movimiento irregular de partículas (se puede decir caótico ) del fluido. A diferencia del flujo laminar, el fluido no fluye en capas paralelas, la mezcla lateral es muy alta y hay una interrupción entre las capas. La turbulencia también se caracteriza por recirculación, remolinos y aleatoriedad aparente . En el flujo turbulento, la velocidad del fluido en un punto está experimentando cambios continuos tanto en magnitud como en dirección.

El conocimiento detallado del comportamiento del régimen de flujo turbulento es importante en ingeniería, porque la mayoría de los flujos industriales , especialmente los de ingeniería nuclear, son turbulentos . Desafortunadamente, el carácter altamente intermitente e irregular de la turbulencia complica todos los análisis . De hecho, a menudo se dice que la turbulencia es el “último problema no resuelto en la física matemática clásica”.

La herramienta principal disponible para su análisis es el análisis CFD . CFD es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza análisis numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos turbulentos. Es ampliamente aceptado que las ecuaciones de Navier-Stokes (o las ecuaciones simplificadas de Navier-Stokes promediadas por Reynolds ) son capaces de exhibir soluciones turbulentas, y estas ecuaciones son la base de esencialmente todos los códigos CFD.

Ver también: flujo interno

Ver también: flujo externo

Características del flujo turbulento

  • El flujo turbulento tiende a ocurrir a velocidades más altas , baja viscosidad y a mayores dimensiones lineales características .
  • Si el número de Reynolds es mayor que Re> 3500, el flujo es turbulento.
  • Irregularidad: el flujo se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido. El movimiento de las partículas fluidas es caótico. Por esta razón, el flujo turbulento normalmente se trata estadísticamente en lugar de determinista.
  • Difusividad: en el flujo turbulento, existe una distribución de velocidad bastante plana en la sección de la tubería, con el resultado de que todo el fluido fluye a un valor único dado y cae rápidamente muy cerca de las paredes. La característica que es responsable de la mezcla mejorada y el aumento de las tasas de transporte de masa, momento y energía en un flujo se llama “difusividad”.
  • Rotacionalidad: el  flujo turbulento se caracteriza por un fuerte mecanismo tridimensional de generación de vórtices. Este mecanismo se conoce como estiramiento de vórtice.
  • Disipación: Un proceso disipativo es un proceso en el cual la energía cinética del flujo turbulento se transforma en energía interna por el esfuerzo de corte viscoso.

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 .
Flujo externo - tubo
Tubo en flujo transversal.
Fuente: Blevins, RD (1990), Flow Induced Vibration, 2nd Edn., Van Nostrand Reinhold Co.

Perfil de velocidad turbulenta

perfiles de velocidad - flujo interno
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., TERMODINÁMICA, TRANSFERENCIA DE CALOR Y FLUJO DE FLUIDO. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1, 2 y 3. Junio ​​de 1992.

Perfil de velocidad de la ley de potencia – Perfil de velocidad turbulenta

Perfil de velocidad de ley de potenciaEl perfil de velocidad en el flujo turbulento es más plano en la parte central de la tubería (es decir, en el núcleo turbulento) que en el flujo laminar . La velocidad del flujo cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes. Esto se debe a la difusividad del flujo turbulento.

En caso de flujo de tubería turbulento, hay muchos perfiles de velocidad empíricos. El más simple y el más conocido es el perfil de velocidad de la ley de potencia :

Perfil de velocidad de la ley de potencia - ecuación

donde el exponente n es una constante cuyo valor depende del número de Reynolds . Esta dependencia es empírica y se muestra en la imagen. En resumen, el valor n aumenta al aumentar el número de Reynolds. El séptimo perfil de velocidad de la ley de potencia se aproxima a muchos flujos industriales.

Flujo turbulento - perfiles
Flujo turbulento – perfiles

Ejemplos de flujo turbulento

  • Ejemplo: flujo a través de una tubería primaria
  • Ejemplo: flujo a través del núcleo del reactor
  • Ejemplo: humo saliendo de un cigarrillo.

Capa límite turbulenta

El concepto de capas límite es importante en todas las dinámicas de fluidos viscosos, la aerodinámica y también en la teoría de la transferencia de calor. Las características básicas de todas las capas límite laminares y turbulentas se muestran en el flujo de revelado sobre una placa plana. Las etapas de la formación de la capa límite se muestran en la siguiente figura:

Capa límite en placa plana

Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas dependiendo del valor del número de Reynolds . También aquí, el número de Reynolds representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulenta. Se define como:

Número de Reynolds

en donde V es la velocidad de flujo media, D una dimensión lineal característica, densidad de fluido ρ, viscosidad dinámica μ y viscosidad cinemática ν.

Para los números de Reynolds más bajos , la capa límite es laminar y la velocidad de la corriente cambia uniformemente a medida que uno se aleja de la pared, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. A medida que aumenta el número de Reynolds (con x), el flujo se vuelve inestable y, finalmente, para los números de Reynolds más altos, la capa límite es turbulenta y la velocidad de la corriente se caracteriza por flujos de remolino inestables (que cambian con el tiempo) dentro de la capa límite.

La transición de la capa límite laminar a turbulenta ocurre cuando el número de Reynolds en x excede Re x ~ 500,000 . La transición puede ocurrir antes, pero depende especialmente de la rugosidad de la superficie . La capa límite turbulenta se espesa más rápidamente que la capa límite laminar como resultado del aumento del esfuerzo cortante en la superficie del cuerpo.

Ver también: espesor de la capa límite

Ver también: tubo en flujo cruzado – flujo externo

Referencia especial: Schlichting Herrmann, Gersten Klaus. Teoría de la capa límite, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, ISBN: 978-3-540-66270-9

Flujo turbulento – Coeficiente de transferencia de calor

Flujo turbulento externo

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

flujo turbulento - placa plana - número nusselt

Esta relación proporciona el coeficiente de transferencia de calor promedio para toda la placa solo cuando el flujo es turbulento sobre toda la placa, o cuando la región de flujo laminar de la placa es demasiado pequeña en relación con la región de flujo turbulento.

Flujo turbulento interno – Dittus-Boelter

Ver también: ecuación de Dittus-Boelter

Para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámicamente y térmicamente)   en un tubo circular liso, el número de Nusselt local   se puede obtener de la conocida  ecuación de Dittus-Boelter . La  ecuación Dittus® Boelter  es fácil de resolver, pero es menos precisa cuando hay una gran diferencia de temperatura en el  fluido  y es menos precisa para tubos rugosos (muchas aplicaciones comerciales), ya que está diseñada para tubos lisos.

Ecuación Dittus-Boelter - Fórmula

La  correlación Dittus-Boelter  puede usarse para diferencias de temperatura pequeñas a moderadas, T wall  – T avg , con todas las propiedades evaluadas a una temperatura promedio T avg .

Para flujos caracterizados por grandes variaciones de propiedades, las correcciones (p. Ej., Un factor de corrección de la viscosidad en la  pared μ / μ ) deben tenerse en cuenta, por ejemplo, como recomiendan Sieder y Tate .

Microescalas de Kolmogorov

En opinión de Kolmogorov ( Andrey Nikolaevich Kolmogorov era un matemático ruso que hizo contribuciones significativas a las matemáticas de la teoría de la probabilidad y la turbulencia), los movimientos turbulentos implican una amplia gama de escalas . Desde una macroescala a la que se suministra la energía, hasta una microescala a la que la energía se disipa por la viscosidad.

Por ejemplo, considere una nube cúmulo. La macroescala de la nube puede ser del orden de kilómetros y puede crecer o persistir durante largos períodos de tiempo. Dentro de la nube, los remolinos pueden ocurrir en escalas del orden de milímetros . Para flujos más pequeños, como en tuberías, las microescalas pueden ser mucho más pequeñas. La mayor parte de la energía cinética del flujo turbulento está contenida en las estructuras de macroescala. La energía “cae en cascada” de estas estructuras de macroescala a estructuras de microescala mediante un mecanismo de inercia. Este proceso se conoce como la cascada de energía turbulenta .

Las escalas más pequeñas en flujo turbulento se conocen como las microescalas de Kolmogorov . Estos son lo suficientemente pequeños como para que la difusión molecular se vuelva importante y se produzca una disipación viscosa de energía y la energía cinética turbulenta se disipe en calor.

Las escalas más pequeñas en flujo turbulento, es decir, las microescalas de Kolmogorov son:

microescalas de Kolmogorov

donde ε es la tasa promedio de tasa de disipación de la energía cinética de turbulencia por unidad de masa y tiene dimensiones (m 2 / s 3 ). ν es la viscosidad cinemática del fluido y tiene dimensiones (m 2 / s).

El tamaño del remolino más pequeño en el flujo está determinado por la viscosidad. La escala de longitud de Kolmogorov disminuye a medida que disminuye la viscosidad. Para flujos de número de Reynolds muy altos , las fuerzas viscosas son más pequeñas con respecto a las fuerzas de inercia. Los movimientos de escala más pequeños se generan necesariamente hasta que los efectos de la viscosidad se vuelven importantes y la energía se disipa. La relación de las escalas de longitud mayor a menor en el flujo turbulento es proporcional al número de Reynolds (aumenta con la potencia de tres cuartos ).

microescalas de Kolmogorov - ecuación

Esto hace que las simulaciones numéricas directas del flujo turbulento sean prácticamente imposibles. Por ejemplo, considere un flujo con un número de Reynolds de 10 6 . En este caso, la relación L / l es proporcional a 10 18/4 . Como tenemos que analizar un problema tridimensional, necesitamos calcular una cuadrícula que consta de al menos 10 14 puntos de cuadrícula . Esto supera con creces la capacidad y las posibilidades de las computadoras existentes.

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.