Flujo laminar - Laminar flow

Tanto el flujo laminar suave y claro como el flujo turbulento con espuma se pueden ver en el borde de Horseshoe Falls .
El perfil de velocidad asociado con el flujo laminar se asemeja a una baraja de cartas. Este perfil de flujo de un fluido en una tubería muestra que el fluido actúa en capas que se deslizan unas sobre otras.

En dinámica de fluidos , el flujo laminar se caracteriza por partículas fluidas que siguen trayectorias suaves en capas, con cada capa moviéndose suavemente más allá de las capas adyacentes con poca o ninguna mezcla. A velocidades bajas, el fluido tiende a fluir sin mezcla lateral y las capas adyacentes se deslizan unas sobre otras como si fueran naipes . No hay corrientes cruzadas perpendiculares a la dirección del flujo, ni remolinos o remolinos de fluidos. En el flujo laminar, el movimiento de las partículas del fluido es muy ordenado con partículas cercanas a una superficie sólida que se mueven en líneas rectas paralelas a esa superficie. El flujo laminar es un régimen de flujo caracterizado por una alta difusión de momento y una baja convección de momento .

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 dependiendo de la velocidad y viscosidad del fluido: flujo laminar o flujo turbulento . El flujo laminar ocurre a velocidades más bajas, por debajo de un umbral en el que el flujo se vuelve turbulento. La velocidad está determinada por un parámetro adimensional que caracteriza el flujo llamado número de Reynolds , que también depende de la viscosidad y densidad del fluido y las dimensiones del canal. El flujo turbulento es un régimen de flujo menos ordenado que se caracteriza por remolinos o pequeños paquetes de partículas de fluido, que dan como resultado una mezcla lateral. En términos no científicos, el flujo laminar es suave , mientras que el flujo turbulento es irregular .

Relación con el número de Reynolds

Una esfera en el flujo de Stokes, con un número de Reynolds muy bajo . Un objeto que se mueve a través de un fluido experimenta una fuerza de arrastre en la dirección opuesta a su movimiento.

El tipo de flujo que ocurre en un fluido en un canal es importante en los problemas de dinámica de fluidos y posteriormente afecta la transferencia de calor y masa en los sistemas de fluidos. El número de Reynolds adimensional es un parámetro importante en las ecuaciones que describen si las condiciones de flujo completamente desarrolladas conducen a un flujo laminar o turbulento. El número de Reynolds es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de cizallamiento del fluido: qué tan rápido se mueve el fluido en relación con su viscosidad , independientemente de la escala del sistema de fluidos. El flujo laminar generalmente ocurre cuando el líquido se mueve lentamente o el líquido es muy viscoso. A medida que aumenta el número de Reynolds, por ejemplo, al aumentar la velocidad de flujo del fluido, el flujo pasará de flujo laminar a turbulento en un rango específico de números de Reynolds, el rango de transición laminar-turbulento dependiendo de los pequeños niveles de perturbación en el fluido o de las imperfecciones. en el sistema de flujo. Si el número de Reynolds es muy pequeño, mucho menor que 1, entonces el fluido presentará un flujo de Stokes , o rampante, donde las fuerzas viscosas del fluido dominan las fuerzas de inercia.

El cálculo específico del número de Reynolds y los valores en los que se produce el flujo laminar dependerán de la geometría del sistema de flujo y del patrón de flujo. El ejemplo común es el flujo a través de una tubería , donde el número de Reynolds se define como

dónde:

D H es el diámetro hidráulico de la tubería (m);
Q es el caudal volumétrico (m 3 / s);
A es el área de la sección transversal de la tubería (m 2 );
u es la velocidad media del fluido ( unidades SI : m / s);
μ es la viscosidad dinámica del fluido (Pa · s = N · s / m 2 = kg / (m · s));
ν es la viscosidad cinemática del fluido, ν = μ/ρ(m 2 / s);
ρ es la densidad del fluido (kg / m 3 ).

Para tales sistemas, el flujo laminar ocurre cuando el número de Reynolds está por debajo de un valor crítico de aproximadamente 2040, aunque el rango de transición suele estar entre 1800 y 2100.

Para los sistemas de fluidos que ocurren en superficies externas, como el flujo de objetos suspendidos en el fluido, se pueden usar otras definiciones para los números de Reynolds para predecir el tipo de flujo alrededor del objeto. La partícula Reynolds número Re p se usaría para partículas suspendidas en fluidos fluidos, por ejemplo. Al igual que con el flujo en las tuberías, el flujo laminar ocurre típicamente con números de Reynolds más bajos, mientras que el flujo turbulento y los fenómenos relacionados, como el desprendimiento de vórtices , ocurren con números de Reynolds más altos.

Ejemplos de

En el caso de una placa en movimiento en un líquido, se encuentra que hay una capa (lámina) que se mueve con la placa y una capa de líquido estacionario junto a cualquier placa estacionaria.
  1. Una aplicación común del flujo laminar es el flujo suave de un líquido viscoso a través de un tubo o tubería. En ese caso, la velocidad del flujo varía desde cero en las paredes hasta un máximo a lo largo del centro de la sección transversal del recipiente. El perfil de flujo del flujo laminar en un tubo se puede calcular dividiendo el flujo en elementos cilíndricos delgados y aplicándoles la fuerza viscosa.
  2. Otro ejemplo es el flujo de aire sobre el ala de un avión . La capa límite es una capa de aire muy delgada que se extiende sobre la superficie del ala (y todas las demás superficies de la aeronave). Debido a que el aire tiene viscosidad , esta capa de aire tiende a adherirse al ala. A medida que el ala se mueve hacia adelante a través del aire, la capa límite fluye primero suavemente sobre la forma aerodinámica del perfil aerodinámico . Aquí, el flujo es laminar y la capa límite es una capa laminar . Prandtl aplicó el concepto de capa límite laminar a las superficies aerodinámicas en 1904.
  3. Un ejemplo cotidiano es el flujo lento, suave y ópticamente transparente de aguas poco profundas sobre una barrera lisa.
  4. Cuando el agua sale de un grifo con poca fuerza, primero muestra un flujo laminar, pero a medida que se acelera por la fuerza de la gravedad, el número de Reynolds del flujo aumenta con la velocidad y el flujo laminar puede pasar a un flujo turbulento. Entonces, la transparencia óptica se reduce o se pierde por completo.
  5. Combinación de flujo laminar y turbulento en cascada. Flujo laminar (exactamente sobre la cresta) y turbulento (inmediatamente aguas abajo con espuma blanca) de las Cataratas Victoria
    En las cascadas se produce una versión a gran escala de los ejemplos 3 y 4, ya que ahora amplias capas de agua que fluye suavemente caen sobre una cresta o borde de la cascada. Inmediatamente, la transición a la turbulencia se establece con la velocidad debido a la aceleración (el número de Reynolds cruza el umbral de la turbulencia) y el agua aireada espumosa oscurece el flujo descendente.

Barreras de flujo laminar

Cámara experimental para el estudio de la quimiotaxis en respuesta al flujo laminar.

El flujo de aire laminar se utiliza para separar volúmenes de aire o evitar que los contaminantes transportados por el aire entren en un área. Las campanas de flujo laminar se utilizan para excluir contaminantes de procesos sensibles en ciencia, electrónica y medicina. Las cortinas de aire se utilizan con frecuencia en entornos comerciales para evitar que el aire calentado o refrigerado pase a través de las puertas. Un reactor de flujo laminar (LFR) es un reactor que utiliza flujo laminar para estudiar reacciones químicas y mecanismos de proceso. Beall et al 1971 desarrollaron un diseño de flujo laminar para la cría de ratas para el manejo de enfermedades y se convirtió en un estándar en todo el mundo, incluso en el entonces Bloque del Este .

Ver también

Referencias

enlaces externos