Clasificación de los regímenes de flujo
El régimen de flujo también se puede clasificar de acuerdo con la geometría de un conducto o área de flujo. Desde este punto de vista, distinguimos:
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. Por otro lado, el flujo externo es un flujo en el que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes. El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo externo es importante especialmente en aeronáutica y aerodinámica .
Flujo externo
En la dinámica de fluidos , el flujo externo es un flujo en el que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes . En comparación con el flujo interno, los flujos externos presentan efectos altamente viscosos confinados a ” capas límite ” de rápido crecimiento en la región de entrada, o a capas de cizallamiento delgadas a lo largo de la superficie sólida. En consecuencia, siempre existirá una región del flujo fuera de la capa límite. En esta región, la velocidad, la temperatura y / o la concentración no cambian y sus gradientes pueden descuidarse.
Este efecto hace que la capa límite se expanda y el grosor de la capa límite se relaciona con la viscosidad cinemática del fluido.
Esto se demuestra en la siguiente imagen. Lejos del cuerpo, el flujo es casi invisible, se puede definir como el flujo de un fluido alrededor de un cuerpo que está completamente sumergido en él.
Flujo externo: placa plana
El número promedio de Nusselt en toda la placa está determinado por:
Esta relación da el coeficiente promedio de transferencia de calor para toda la placa cuando el flujo es laminar sobre toda la placa.
Esta relación da 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 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 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 .
Flujo laminar interno – Número de Nusselt
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 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 una constante. No hay dependencia de los números de Reynolds o Prandtl .
Flujo turbulento interno: número de Nusselt
Ver también: ecuación de Dittus-Boelter
Para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámicamente y térmicamente) en un tubo circular liso, el número local de Nusselt puede obtenerse de la conocida ecuación 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.
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 (por ejemplo, un factor de corrección de la viscosidad μ / μ wall ) deben tenerse en cuenta, por ejemplo, como recomiendan Sieder y Tate .
Cálculo del número de Nusselt usando la ecuación de Dittus-Boelter
Para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámicamente y térmicamente) en un tubo circular liso, el número local de Nusselt se puede obtener de la conocida ecuación Dittus ?? Boelter .
Para calcular el número de Nusselt , tenemos que saber:
- el número de Reynolds , que es Re Dh = 575600
- el número de Prandtl , que es Pr = 0.89
El número de Nusselt para la convección forzada dentro del canal de combustible es igual a:
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