Clasificación de los regímenes de flujo
Otra clasificación generalmente más común de los regímenes de flujo es según la forma y el tipo de líneas de flujo . Todo el flujo de fluido se clasifica en una de dos amplias categorías. El flujo de fluido puede ser laminar o turbulento y, por lo tanto, estas dos categorías son:
El flujo laminar se caracteriza por caminos suaves o regulares de partículas del fluido. Por lo tanto, el flujo laminar también se conoce como flujo aerodinámico o flujo viscoso . A diferencia del flujo laminar, el flujo turbulento se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido. El fluido turbulento no fluye en capas paralelas, la mezcla lateral es muy alta y hay una interrupción entre las capas. La mayoría de los flujos industriales , especialmente los de la ingeniería nuclear, son turbulentos .
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 la 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.
Ver también: número de Reynolds
Ver también: número crítico de Reynolds
Flujo laminar externo – Número de Nusselt
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.
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
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.
Flujo turbulento externo: número de Nusselt
El número promedio de Nusselt en toda la placa está determinado por:
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 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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