En esta sección introducimos las fuerzas de fricción que actúan sobre fluidos en movimiento. Por ejemplo, un fluido que circula por una tubería está sujeto a una resistencia, un tipo de fricción, entre el fluido y las paredes. La fricción también se produce entre las diferentes capas de fluido. La diferencia en cómo fluyen los líquidos, como el jugo o el sirope de arce, se debe a la fricción del fluido, tanto dentro del propio fluido como entre este y su entorno. A esta propiedad de los fluidos la llamamos viscosidad.
La definición precisa de la viscosidad se basa en el flujo laminar, o no turbulento. El conocimiento y comprensión de los flujos laminar y turbulento es esencial en muchas áreas, como la ingeniería, la hidrodinámica y la aerodinámica.
Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento: Características y Diferencias
Para comprender los efectos del flujo turbulento, es fundamental distinguir entre este y el flujo laminar.
Flujo Laminar
El flujo laminar es un tipo de flujo de fluido en el que las partículas del fluido se mueven en capas paralelas sin mezclarse ni generar turbulencias. Cuando el flujo es laminar, las capas fluyen sin mezclarse. En un flujo laminar, las capas de fluido se deslizan suavemente unas sobre otras, y las partículas se mueven a lo largo de trayectorias uniformes y predecibles. El flujo suave se denomina flujo laminar.
Flujo Turbulento
Por otro lado, el flujo turbulento es un tipo de flujo de fluido en el que las partículas del fluido se mueven de manera caótica e irregular, generando turbulencias y mezclándose entre sí. La turbulencia es un fluido circulante en el cual las capas se mezclan entre sí mediante torbellinos y remolinos; los remolinos y torbellinos tipifican el flujo turbulento. En un flujo turbulento, las partículas no siguen trayectorias uniformes ni predecibles, lo que puede generar pérdidas de energía y aumento de la resistencia al flujo. El flujo turbulento hace referencia a un flujo que es aleatorio o no controlado. Hablamos de flujo turbulento cuando nos encontramos frente a un flujo en el que hay fluctuaciones de manera constante. Se caracteriza porque el fluido continuamente se mezcla, de forma caótica, como consecuencia de la ruptura de un flujo ordenado de vórtices, que afectan zonas en dirección del movimiento. En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas.
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Causas del Flujo Turbulento
La turbulencia tiene dos causas principales. En primer lugar, cualquier obstrucción o esquina afilada, como en un grifo, crea turbulencia al impartir velocidades perpendiculares al flujo. En segundo lugar, las altas velocidades provocan turbulencia. El arrastre entre capas adyacentes de fluido y entre el fluido y su entorno puede formar remolinos y torbellinos si la velocidad es lo suficientemente grande. La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Un flujo laminar puede pasar a turbulento. El movimiento de un fluido puede satisfacer todas las ecuaciones del movimiento y, sin embargo, ser inestable, es decir, que las características del flujo experimentan cambios irreversibles cuando se introduce una perturbación.
El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo. El primer parámetro es una escala de longitud del campo de flujo, como el espesor de una capa límite o el diámetro de una tubería. Si dicha escala de longitud es lo bastantemente grande, una perturbación del flujo podría aumentar y el flujo podría volverse turbulento. El segundo parámetro es una escala de velocidad tal como un promedio espacial de la velocidad; si la velocidad es lo bastante grande el flujo podría ser turbulento.
Diferentes teorías han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia. Algunas explican que la turbulencia es debida a la formación de vórtices en la capa límite, como consecuencia de los disturbios que se generan por discontinuidades bruscas existentes en la pared; mientras que otras teorías atribuyen la turbulencia a la influencia del esfuerzo cortante, cuando se presenta un gradiente de velocidades con discontinuidades bruscas. Si se introduce una perturbación en la zona de contacto, la presión en un punto aumenta al disminuir la velocidad, mientras que la presión en otro punto disminuye al acelerarse el fluido. El resultado es que la diferencia de presiones produce una fuerza neta que empuja al fluido en la zona de contacto, lo que acentúa aún más la perturbación, inicia la formación de torbellinos y la perturbación se termina propagando a todo el fluido dando lugar a la creación de un flujo turbulento.
El Número de Reynolds: Un Indicador de Turbulencia
Para determinar si un flujo es laminar o turbulento, se utiliza un parámetro llamado número de Reynolds (Re). Un indicador llamado número de Reynolds NR puede revelar si el flujo es laminar o turbulento. Para distinguir qué tipo de flujo es, se miden la velocidad, viscosidad, diámetro y densidad de fluido utilizando el número de Reynolds. El número de Reynolds se define como NR = ρvr/η, donde ρ es la densidad del fluido, v su velocidad, η su viscosidad y r el radio del tubo. El número de Reynolds es una cantidad sin dimensiones. Hay experimentos que han revelado que NR está relacionado con el inicio de turbulencia.
| Rango del Número de Reynolds (NR) | Tipo de Flujo | Características |
|---|---|---|
| NR < 2.000 | Laminar | El flujo es laminar, las fuerzas viscosas predominan y hacen que las partículas se mantengan en línea. Las condiciones permiten que el flujo no se separe de la pared del tubo. |
| Entre 2.000 y 3.000 | Inestable | El flujo puede ser laminar, pero pequeños obstáculos y la rugosidad de la superficie pueden hacerlo turbulento, y puede oscilar aleatoriamente entre ser laminar y turbulento. Este es un buen ejemplo de comportamiento caótico. |
| Entre 2.000 y 10.000 | Transición | Esta es una zona de incertidumbre en la que pueden, o no, generarse turbulencias, dependiendo de otros factores impredecibles. |
| NR > 10.000 | Turbulento | Existen perturbaciones en el flujo y esta condición se describe como ‘flujo turbulento’, en el que la capa límite se mezcla significativamente con el grueso del fluido. La inercia prima sobre las fuerzas viscosas. |
Impacto del Flujo Turbulento
Los efectos del flujo turbulento son significativos en diversas aplicaciones prácticas.
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Pérdida de Energía y Aumento de Resistencia
Cuando se traslada un fluido de un punto a otro, es deseable limitar la turbulencia. La turbulencia provoca un desperdicio de energía, ya que parte de la energía destinada a mover el fluido se disipa cuando se forman torbellinos. En un flujo turbulento, las partículas no siguen trayectorias uniformes ni predecibles, lo que puede generar pérdidas de energía y aumento de la resistencia al flujo. R aumenta mucho con la turbulencia, y una constricción que crea turbulencia reduce mucho la presión descendente.
La resistencia es mucho mayor en lugares estrechos, como en una arteria coronaria obstruida. Para una tasa de flujo dada Q, la pérdida de carga es mayor donde el tubo es más estrecho. Así es como los grifos de agua controlan el flujo. Durante los momentos de mayor uso, se produce una importante caída de presión en el conducto de agua, y la presión suministrada a los usuarios es significativamente menor que la creada en las obras de agua.
Aplicaciones Críticas: Salas Blancas
Cuando hablamos de sistemas de ventilación para una sala blanca, es muy importante tener en cuenta cómo son los flujos de ventilación. La ventilación en una sala blanca es un aspecto fundamental pues el aire puede traer consigo partículas contaminantes y otros agentes externos. Por eso, es importante conocer si el flujo de aire es turbulento o laminar y cómo esto impacta en una sala blanca. En las salas blancas, es mucho más habitual la presencia de los flujos laminares que de los flujos turbulentos. Esto tiene una fácil explicación: al no poder describir una trayectoria precisa de las partículas de un fluido en el flujo turbulento, se hace mucho más difícil controlar el flujo. Sí, tratándose de una sala blanca, la prioridad es poder controlar aspectos como la ventilación y la entrada de aire.
Control y Visualización de la Turbulencia
Se han intentado diferentes técnicas para reducir el valor del número de Reynolds crítico (valor al que se empieza a producir el flujo turbulento), pero la mayoría tienen la desventaja de que también aumentan la resistencia del fluido a fluir, aumentando la pérdida de carga a un ratio que crece más rápidamente de lo que decrece la resistencia de la capa límite. Una técnica universalmente útil y que no presenta las desventajas anteriores, consiste en deformar el tubo con un surco o indentación continua en espiral a lo largo del mismo, o bien indentaciones intermitentes puntuales.
La turbulencia de un fluido puede visualizarse como un conjunto de torbellinos de diferente escala que se superponen al flujo medio. Si consideramos una bolsa de contaminación emitida a la atmósfera el efecto de la turbulencia se manifiesta así: los torbellinos o fluctuaciones turbulentas de escala más grandes que la bolsa de contaminación la empujan, trasladan o sacuden al azar. Los torbellinos de escala similar a la bolsa la estiran, la deforman y terminan por fraccionarla en bolsas irregulares más pequeñas; éstas a su vez caen bajo la acción de los torbellinos de escala más pequeña que las fraccionan y así sucesivamente, hasta que la acción de la difusión molecular terminan el proceso.
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