¿Qué es el número de Reynolds? – Definición

El número de Reynolds es 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. Ingenieria termal

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:

  • 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 .

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.

Número de Reynolds y flujo interno

Flujo interno
Fuente: White Frank M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill Education, 7a edición, febrero de 2010, ISBN: 978-0077422417

La configuración de flujo interno (p. Ej., Flujo en una tubería) es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como las plantas de energía nuclear .

En general, este régimen de flujo es importante en ingeniería, porque 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.

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:

longitud de entrada hidrodinámica

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 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

Dado que la dimensión característica de una tubería circular es un diámetro ordinario D y especialmente los reactores contienen canales no circulares, la dimensión característica debe generalizarse.

Para estos fines, el número de Reynolds se define como:

Número de Reynolds - diámetro hidráulico

donde D h es el diámetro hidráulico :

Diámetro hidráulico - ecuación

Diámetro hidráulicoEl 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. El perímetro mojado para un canal es el perímetro total de todas las paredes del canal que están en contacto con el flujo.

Número de Reynolds y flujo externo

El número de Reynolds también describe naturalmente el flujo externo . En general, cuando un fluido fluye sobre una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, el lecho de un río o la pared de una tubería, el fluido que toca la superficie se detiene por el esfuerzo cortante en la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite .

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.

El flujo externo reacciona al borde de la capa límite como lo haría a la superficie física de un objeto. Entonces, la capa límite le da a cualquier objeto una forma “efectiva” que generalmente es ligeramente diferente de la forma física. Definimos el grosor de la capa límite como la distancia desde la pared hasta el punto donde la velocidad es el 99% de la velocidad de “flujo libre”.

Para hacer las cosas más confusas, la capa límite puede despegarse o “separarse” del cuerpo y crear una forma efectiva muy diferente de la forma física. Esto sucede porque el flujo en el límite tiene muy poca energía (en relación con la corriente libre) y es más fácil de manejar por los cambios en la presión.

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

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