Física

Flujo Laminar y Flujo Turbulento

Publicado por Monica González

Los flujos en los que la viscosidad de un fluido no es despreciable pueden ser de dos tipos, laminares o turbulentos. La diferencia básica entre los dos tipo de flujo fue drásticamente demostrada en 1883 por Osborne Reynolds (1842–1912), por medio de un experimento en que se inyectó un delgado chorro de tinta en medio del flujo de agua a través de un tubo transparente.

Para tasas de flujo bajas, se observó que el flujo del chorro de tinta seguía un camino recto y definido, lo que indicaba que el fluido se había trasladado en capas paralelas (láminas), sin movimientos de mezcla macroscópica entre las capas. Este tipo de comportamiento se llama flujo laminar.

Al incrementarse el caudal más allá de un cierto valor crítico el chorro de tinta se observó que la misma se dividía conformando un movimiento irregular y extendido por toda la sección transversal del tubo, lo que indicaba la presencia en el fluido de movimientos macroscópicos de mezcla perpendicular a la dirección del flujo.

Dicho movimiento del fluido con características caóticas se llama flujo turbulento. Reynolds demostró que la transición de flujo laminar a flujo turbulento siempre se produjo en un valor crítico fijo del parámetro llamado número de Reynolds, definido como Re = Vd / ν ~ 3000, donde V es la velocidad promedio del fluido a través de la sección transversal, d es el diámetro del tubo, y ν es la viscosidad cinemática del fluido.

De tal modo, si se considera las condiciones de flujo de un fluido dado, un número de Reynolds bajo corresponderá a flujo laminar, mientras que un número de Reynolds suficientemente alto corresponderá a un flujo turbulento.

Un ejemplo que cotidianamente observamos de transición entre estos dos tipos de flujos es el del humo de un cigarro. Al principio el humo sale del mismo conformando una especie de tubo ascendente (flujo laminar), pero rápidamente cuando su velocidad aumenta y se ensancha el área de flujo, el mismo se transforma en un flujo turbulento, caracterizado por la formación de remolinos y el entrecruzamiento de líneas de flujo.

Algunas de las características de los flujos turbulentos son las siguientes:

Aleatoriedad: los flujos turbulentos parecen irregulares, caóticos e impredecibles.

No Linealidad: Los flujos turbulentos son altamente no lineales en su comportamiento, por lo cual no es posible describirlos con aproximaciones lineales de la ecuación de Navier-Stokes, sino que los términos no lineales de la misma juegan un papel importante en el flujo modelado.

Difusividad: Debido a la mezcla macroscópica de partículas, este tipo de flujos se caracterizan por un rápido ritmo de difusión de momentum y calor.

Vorticidad: La turbulencia se caracteriza por altos niveles de vorticidad fluctuante. Las estructuras identificables en un flujo de este tipo son denominadas genéricamente remolinos. La visualización de flujos turbulentos muestra varias estructuras de este tipo que se unen , se dividen, se estiran y se contraen, y por sobre todo giran. Típicamente, la turbulencia se caracteriza por presentar un gran rango en el tamaño de dichos remolinos, donde los remolinos mayores pueden presentar un diámetro del orden del ancho característico de la zona donde se presenta el flujo turbulento, siendo estos remolinos mayores los que contienen la mayor parte de la energía asociada al flujo.

La energía es traspasada desde los remolinos mayores a los remolinos más pequeños por medio de interacciones no lineales, hasta que la misma es disipada por la difusión viscosa en los remolinos más pequeños cuyo diámetro puede ser del orden de los milímetros.

Disipación: El mecanismo de estrechamiento de los vórtices transfiere energía y vorticidad a escalas cada vez menores, hasta que los gradientes se hacen lo suficientemente grandes, como para resultar disipados por medio de la viscosidad. Por lo tanto los flujos turbulentos requieren un suministro continuo de energía para mantenerse en ese estado, de modo de compensar las pérdidas viscosas.

 

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