Conceptos Fundamentales en Dinámica de Fluidos

Resistencia de Superficie

Es la producida por el rozamiento entre el fluido en movimiento y el sólido con el que está en contacto (capa límite), el rozamiento de capas del fluido con otras (régimen laminar) y entre las partículas del fluido entre sí (régimen turbulento). Depende directamente de la viscosidad.

Flujo Laminar y Flujo Turbulento

Cuando entre dos partículas en movimiento existe un gradiente de velocidad, es decir, que una se mueve más rápido que la otra, se desarrollan fuerzas de fricción que actúan tangencialmente a las mismas. Las fuerzas de fricción tratan de introducir una rotación entre las partículas en movimiento, pero a su vez la viscosidad trata de impedir esta rotación. Dependiendo del valor relativo de estas fuerzas, se pueden producir diferentes estados del flujo.

Flujo Laminar

Cuando el gradiente de velocidad es bajo, la fuerza de inercia es mayor que la de fricción. Las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen con muy poca energía. El resultado final es un movimiento en el cual las partículas siguen trayectorias definidas. Este tipo de flujo fue identificado por O. Reynolds y se denomina ‘laminar’, queriendo significar con ello que las partículas se desplazan en forma de capas o láminas.

Flujo Turbulento

Al aumentar el gradiente de velocidad, se incrementa la fricción entre partículas vecinas al fluido, y estas adquieren una energía de rotación apreciable. La viscosidad pierde su efecto, y debido a la rotación, las partículas cambian de trayectoria. Al pasar de unas trayectorias a otras, las partículas chocan entre sí y cambian de rumbo de forma errática. Este tipo de flujo se denomina ‘turbulento’.

Capa Límite

La capa límite es la zona en la cual el flujo del fluido está perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto. Se entiende como la región donde la velocidad del fluido respecto al sólido varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.

Subcapa Laminar

En régimen turbulento, existe una parte muy pequeña de la capa límite en contacto con el cuerpo que tiene régimen laminar. En esa zona, el intercambio de cantidad de movimiento no llega a la pared. Es la denominada ‘subcapa laminar’.

Pérdidas Secundarias

Todos los elementos extraños a un conductor cerrado que varían de alguna forma su sección o su forma producen perturbaciones, que se transforman comúnmente en remolinos o desprendimientos de la capa límite. La consecuencia es una pérdida de carga adicional que se debe tener en cuenta a la hora de calcular conductos. Es lo que se conoce como pérdidas secundarias.

Golpe de Ariete

El golpe de ariete es un fenómeno transitorio en el que un cambio brusco de las condiciones en un fluido produce una variación de velocidad, y en consecuencia de presión, que se propaga por todo él, y que se mantiene activo hasta que las propiedades del fluido y del entorno anulan el efecto producido. La fuerza de inercia del líquido en estado dinámico en la conducción, origina tras el cierre de válvulas, unas depresiones y presiones debidas al movimiento ondulatorio de la columna líquida, hasta que se produzca la parada de toda la masa líquida. Las depresiones o sobrepresiones empiezan en un máximo al cierre de válvulas o parada de motor, disminuyendo hasta el final, en que desaparecerán, quedando la conducción en régimen estático.

Tipos de Golpe de Ariete

El golpe de ariete puede ser positivo o negativo.

• Golpe de Ariete Positivo: Si en el instante t₀ se cierra una válvula, la energía cinética del fluido se transformará inmediatamente en un trabajo de compresión que dilata la tubería o el conducto donde se produce el efecto (si hablásemos de tuberías elásticas ideales se transformaría en energía potencial elástica).
• Golpe de Ariete Negativo: Si lo que sucede es lo contrario, que una válvula se abre rápidamente, el fluido no es capaz inmediatamente de ponerse en marcha completamente. El hecho de que el fluido cercano a la válvula adquiera una velocidad y el colindante tarde algo más produce una depresión en la tubería.

El golpe de ariete depende fundamentalmente del tiempo de acción del elemento perturbador (válvula, bomba, motor), de las propiedades mecánicas del conducto o de la tubería, de su geometría, y de las propiedades del fluido. Dada una tubería ideal de longitud L que transporta un fluido a una velocidad V y una velocidad de propagación de la presión c, se puede definir t₀ como el tiempo en el que las perturbaciones viajan de un lado a otro de la tubería: t₀ = L/c.

Cavitación

La cavitación es un fenómeno físico que se produce al alcanzarse en al menos una parte del fluido en movimiento una presión inferior a un determinado valor diferente para cada tipo de fluido. Es un fenómeno potencialmente destructivo y aparece tanto en estructuras estáticas como en mecanismos. Tiene mucha relación con la capa límite y los fenómenos que se producen bajo ella.

Etiquetas: dinámica de fluidos, flujo laminar, flujo turbulento, hidrodinámica, mecánica de fluidos, resistencia de superficie