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FLUJO TURBULENTO

RESUMEN

El flujo turbulento es mas comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

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. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.

También se presenta como tema de aplicación la turbulencia atmosférica y la dispersión de contaminantes.

INTRODUCCIÓN

Según la viscosidad del fluido, un flujo se puede clasificar en laminar o turbulento.

En el flujo turbulento las partículas se mueven sin seguir un orden establecido, en trayectorias completamente erráticas.

El flujo turbulento 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. El flujo del agua en los ríos o el movimiento del aire cerca de la superficie de la tierra son ejemplos típicos de flujos turbulentos.

FLUJO TURBULENTO

CARACTERÍSTICAS Y DESARROLLO

En el flujo turbulento las partículas se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas. El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales.

La turbulencia según la definición de Taylor y von Kármán, puede producirse por el paso del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido, a diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra.

Tipos de turbulencia :

* Turbulencia de pared : generada por efectos viscosos debida a la existencia de paredes.

* Turbulencia libre : producida en la ausencia de pared y generada por el movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades.

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. Sin embargo a pesar de las múltiples investigaciones, los resultados obtenidos sobre el desarrollo de la turbulencia no son totalmente satisfactorios, ya que solo pueden estudiarse experimental y teóricamente como un fenómeno estadístico.

Número de Reynolds

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. El tercer parámetro es la viscosidad cinemática ; si la viscosidad es lo bastante pequeña, el flujo puede ser turbulento.

Estos tres parámetros se combinan en un solo parámetro conocido como el número de Reynolds ( R ) , con el cual se puede predecir el régimen de flujo, si R > 4000 el flujo será turbulento.

Cuando el flujo entra en régimen turbulento, se puede presentar el caso de que el conducto sea liso o el caso de que el conducto sea rugoso.

Tubos lisos :

Se presentan tres subcapas :

·      Subcapa viscosa : el movimiento es primariamente viscoso, aunque no es estrictamente laminar y la velocidad varía linealmente. Esta subcapa es muy  difícil de observar bajo condiciones experimentales. Sin embargo su importancia es decisiva para la determinación de las fuerzas de arrastre.

·      Capa de transición : el flujo es turbulento, pero la viscosidad todavía ejerce su influencia.

·      Zona de turbulencia : se aplica la teoría de longitud de mezcla de Prandtl, asumiendo que el flujo turbulento en una tubería está fuertemente influenciado por el fenómeno del flujo cercano a la pared.

Factor de fricción para tubos lisos : donde los efectos de viscosidad predominan y el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds.

Tubos rugosos :

Se presentan dos casos, según que el tamaño de la rugosidad sea o no mayor que el espesor de las subcapas viscosas y de transición.

Factor de fricción para tubos rugosos :

¨    Si el tamaño de la rugosidad es mayor que el espesor de las subcapas viscosa y de transición : la viscosidad no tendrá ningún efecto apreciable sobre el factor de fricción , y este solo dependerá de la rugosidad relativa.

¨    Si el tamaño de la rugosidad es menor que el espesor de las subcapas viscosa y de transición : se presenta el régimen de transición entre el movimiento turbulento liso y turbulento rugoso, donde el factor de fricción depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa.

TURBULENCIA ATMOSFÉRICA

La turbulencia atmosférica puede considerarse como la fluctuación al azar sobrepuesta a los valores medios de una magnitud termodinámica medida en la atmósfera, como se puede apreciar en la primera figura.

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Existen varias teorías sobre el origen de la turbulencia, aunque las más aceptada es la teoría de la estabilidad de los flujos laminares. 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. Un flujo laminar puede pasar a turbulento como se indica en la segunda figura. Estas capas paralelas y uniformes de un fluido (sin fricción mutua) se mueven a diferentes velocidades (a). Si se introduce una perturbación en la zona de contacto (b), la presión en el punto a ( Pa ) aumenta al disminuir la velocidad en este punto, mientras que la presión en el punto b ( Pb ) disminuye al acelerarse el fluido en el punto b. El resultado es que la diferencia de presiones produce una fuerza neta que empuja al fluido en la zona de contacto hacia el punto b. Esto acentúa aún más la perturbación de la zona de contacto, se inicia la formación de torbellinos y la perturbación se termina propagando a todo el fluido dando lugar a la creación de un flujo turbulento. La turbulencia de un fluido puede visualizarse como un conjunto de torbellinos de diferente escala que se superponen al flujo medio. Los torbellinos de mayor escala se fraccionan en torbellinos de menor escala, en un proceso en el que existe transferencia de energía y que finalmente termina en choques moleculares. 

DISPERSIÓN TURBULENTA

La turbulencia es la causa que determina la dispersión de contaminantes en la atmósfera.

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. El efecto final es la dispersión de la contaminación inicialmente concentrada en la bolsa.

Los resultados de estos modelos físicos de la turbulencia ponen en evidencia que el grado de estabilidad de la atmósfera es el condicionante básico de la forma de dispersión.

En la figura se puede observar que para el penacho de contaminación de una chimenea existen tres formas de dispersión de la contaminación :

Si el perfil térmico de la atmósfera es estable el penacho de contaminación dispersa lentamente en forma "tubular".

Si el perfil térmico es neutro el penacho dispersa en forma "cónica".

Si el perfil térmico es inestable el penacho dispersa en forma "serpenteante".

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REFERENCIAS

SOTELO AVILA, Gilberto. Hidráulica General. Volumen 1. Editorial Limusa. 1980.

POTTER, Merle C y WIGGERT, David C. Mecánica de Fluidos. Segunda Edición.

Prentice Hall : México.1997.

FERNÁNDEZ BONO, Juan F y MARCO SEGURA, Juan B. Apuntes de Hidráulica Técnica. Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente. Servicio de Publicaciones : España. 1992.

http://vppx134.vp.ehu.es/met/html/nociones/turbu.htm

                                                                                                            JULIANA AGUILAR CUERVO


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