Convección Forzada

Convección Forzada Externa
La fuerza que un fluido en movimiento ejerce sobre un cuerpo en la dirección del flujo se llama resistencia al movimiento, y ésta se debe a los efectos combinados de la presión y de las fuerzas cortantes sobre la pared (fricción superficial) en la dirección del flujo. En el caso de una placa delgada alineada paralela al flujo, la resistencia al movimiento depende sólode la fuerza cortante en la pared y es independiente de la presión, si la placa se coloca perpendicular a la dirección del flujo entonces dependería únicamente de la presión.
El coeficiente de resistencia al movimiento adimensional está definido como:
CD= FD12 ρV2A………(1)
Donde FD es la fuerza de resistencia al movimiento, ρ es la densidad, V, velocidad de la corriente, A es el área frontal(área proyectada sobre una superficie perpendicular a la dirección del flujo). Para flujo paralelo sobre placas planas A es el área superficial.
El coeficiente total de resistencia al movimiento, es igual a la suma de la resistencia debida a las fuerzas de fricción superficial o cortante y resistencia debida a la presión.
CD=CD,fricción+CD,presión
Para una placa plana el coeficiente total sólodepende del coeficiente de fricción Cf. La resistencia al movimiento por la presión es proporcional a la diferencia de presiones que actúan sobre el frente y la parte posterior del cuerpo sumergido y del área frontal.
Debido a que cuando un fluido fluye sobre la superficie de un cuerpo a una temperatura Ts, la temperatura del fluido toma éste valor en el contacto con la superficie hasta el valor dela temperatura original del fluido T∞, es necesario evaluar las propiedades del fluido utilizando a una temperatura de película Tf=Ts+T∞2
Los coeficientes locales de resistencia al movimiento y de convección varían a lo largo de la superficie. Por lo común se está interesado en la fuerza de resistencia y la rapidez de transferencia de calor para la superficie completa, las cuales se puedendeterminar mediante los coeficientes de fricción y de convección promedio. Por lo tanto se presentan las relaciones tanto para los coeficientes locales (identificados con el subíndice x) y los de fricción y convección promedio (identificados con L).
Ya cuando se disponen de estos coeficientes, se puede determinar la fuerza de fricción FD con la primera ecuación y la transferencia de calor se puededeterminar con:
Qconv=hAs(Ts-T∞) (2)

Placa plana
El número de Reynolds a una distancia x desde el borde de ataque de una placa plana se expresa como
Rex=Vxv
En toda la placa es:
ReL=VLv
La transición de laminar a turbulento ocurre en el número crítico de Reynolds
Recr=ρVxcrμ=Vxcrv=5×105
Se puede considerar régimen de transición desde 105 hasta 3X106.
Las relacionescorrespondientes para el espesor de la capa límite, el coeficiente de fricción local en la posición x, así como el número de Nusselt local se dan para los casos: (superficies isotérmicas)
Lamina δx=4.91xRex1/2 Cf,x= 0.664Rex1/2 Nux=hxk=0.332Re0.5Pr13 Rex<5x105 Pr>0.6
Turbulento= δx=0.382xRex1/5 Cf,x=0.0592Rex1/5 Nux=hxk=0.0296Re0.8Pr13
5x105≤Rex≤107 0.6≤Pr≤60
Lasrelaciones del coeficiente de fricción promedio para el flujo sobre una placa plana (superficies isotérmicas) son:
Laminar
Turbulento
Combinado
Superficie áspera, turbulento:

Las relaciones del número de Nusselt promedio para el flujo sobre una placa plana (superficies isotérmicas) son:
Laminar: Nu= hLk = 0.664 ReL0.5 Pr1/3 RₑeL<5 x 105Turbulento:
Nu= hLk = 0.037ReL0.8 Pr1/3 0.6 ≤ Pr ≤ 60
5 x 105 ≤ RₑeL ≤ 107
Combinado:
Nu= hLk =(0.037 ReL0.8-871) Pr1/3 0.6 ≤ Pr ≤ 60
5 x 105 ≤ RₑeL ≤ 107
Una expresión aplicable para todos los fluidos con cualquier número de Prandtl es la siguiente:

Para las superficies isotérmicas con sección inicial no calentada de longitud ξ, las relaciones del número de Nusselt local...