Tipos de flujo


La clasificación de los flujos obedece a la variable que sea de interés en una situación dada.  Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y entre ellas se pueden mencionar la viscosidad y la densidad del fluido, o la permanencia, el orden, la región, la vorticidad y el comportamiento espacial del flujo.  Cada característica del fluido o del flujo originará una clasificación particular y existen muchas otras propiedades y características que se pueden agregar a las enunciadas..

Viscosidad del fluido

Si el fluido que forma el flujo es real su viscosidad es positiva y se tratará de un flujo real.  Para ciertas aproximaciones se ignorará el efecto de la viscosidad y se le asignará un valor nulo a la resistencia viscosa.  En ese caso el fluido es ideal y el flujo así formado también lo será.

Densidad del fluido

Si el flujo se da para un fluido de densidad constante, el fluido y el flujo se denominarán incompresibles.  El flujo será compresible si el fluido que lo origina lo es y en ese caso la función de densidad será un campo escalar de posición y tiempo.

Permanencia del flujo

Si las características del flujo son invariantes en el tiempo, esto es, permanecen, se dirá que el flujo es permanente, de lo contrario se clasificará  como flujo no permanente.  Una característica particularmente importante desde este punto vista es la velocidad.  Así se tendrán campos de velocidad para flujos permanentes o para flujos no permanentes:

Flujo no permanente: V=V(x, y, z, t)

Flujo permanente: V=V(x, y, z)

Orden del flujo

El orden del flujo dará origen a los flujos laminares o turbulentos.  Esta característica depende de la combinación de las propiedades del flujo, del fluido y de la región de flujo.  En el flujo laminar las partículas viajan siguiendo trayectorias muy definidas, sean rectilíneas o curvilíneas, sin variaciones macroscópicas de la velocidad, de manera que unas capas o láminas de flujo se deslizan o escurren las unas sobre las otras.  En el flujo turbulento ocurren fluctuaciones irregulares del flujo, las partículas intercambian cantidad de movimiento lineal y angular.  El asunto fue abordado por Osborne Reynolds quien en la Inglaterra de 1883 logró establecer los criterios para la clasificación de los flujos desde este punto de vista. Este criterio es el número de Reynolds (R=rVD/m) que indica flujo laminar para valores bajos y flujo turbulento para valores altos y muestra la influencia que tienen las variables del fluido (r, m), las del flujo (V) y las de la región del flujo (D) en el orden del movimiento de las partículas fluidas.

Región de flujo

Los flujos reales ocurren en el espacio y por consiguiente sus características, estrictamente, varían en tres coordenadas espaciales y en el tiempo.  Esos son los flujos tridimensionales.

En muchos casos prácticos, con resultados satisfactorios, se ignora la variación de las propiedades del fluido y de las características del flujo a lo largo de una de las direcciones del espacio y se obtiene un flujo bidimensional. En el caso real se puede estudiar un flujo con esta simplificación y posteriormente introducir las correcciones en los bordes o fronteras de la región de flujo para lograr la conformidad con la naturaleza.  Ejemplos de estas situaciones son aquellas que se dan en el flujo alrededor de la pila sumergida de un puente, o alrededor de un perfil alar, o sobre la cresta de un vertedero de caudales máximos en una presa.

En otras situaciones se puede simplificar aún más el flujo que se estudia y considerar que la variación de las propiedades del fluido y las características medias del flujo varían solamente a lo largo de una dirección en el espacio y con el tiempo.   Ejemplos de tales situaciones son el flujo a lo largo de una tubería o de un canal donde se considera que las propiedades del fluido y las características medias del flujo tienen valores que solamente dependen de la abscisa a lo largo del conducto y del tiempo.   Para este caso puede ser muy útil el sistema coordenado de línea (s, t).

Vorticidad del flujo

Una partícula fluida, en el seno de un medio fluido en movimiento, está sometida a esfuerzos normales (presión) y cortantes (fricción) y como consecuencia de la acción combinada de los esfuerzos cortantes que soporta puede rotar sobre alguno o algunos de sus ejes.  La velocidad angular es particular alrededor de cada eje.  La combinación de esas velocidades angulares origina que la partícula rote en el espacio con mayor o menor rapidez, o que no rote en absoluto respecto a ningún eje.  En parte eso depende de la distribución de velocidades a lo largo de cada una de las direcciones espaciales y de la viscosidad misma del fluido.

Si alguna partícula del flujo rota se dirá que el flujo es rotacional.  Si ninguna partícula lo hace se dirá que el flujo es irrotacional.

Analíticamente se encuentra que esto queda expresado por el vector vorticidad que no es más que la aplicación del operador rotacional al campo de velocidades:

Vector vorticidad del flujo

Flujo rotacional, si la vorticidad es diferente de cero

Flujo irrotacional, si la vorticidad es nula

Comportamiento espacial

Si las características del fluido y del flujo no cambian entre los diferentes puntos de la región de flujo se tiene un flujo uniforme.  Si esas características varían de uno a otro punto dentro de la región de flujo se tiene un flujo variado.  A su vez, si la variación del flujo en el espacio ocurre con pequeñas modificaciones en el recorrido por el espacio se tendrá un flujo gradualmente variado y si tal variación ocurre precipitadamente, en relativamente cortas distancias y con acentuada concavidad de la geometría del flujo, se tiene flujo rápidamente variado.

Extensión del campo de flujo

El flujo interno corresponde al flujo en una región limitada, el flujo externo se refiere al flujo en una región no limitada, donde el foco de atención está en el patrón de flujo alrededor de un cuerpo sumergido en el fluido.


Describa flujos reales en la naturaleza y clasifíquelo según los diferentes criterios

¿Cuáles pueden ser las ventajas de idealizar un flujo?

Describa un ejemplo real de flujo rotacional

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