MECANICA DE FLUIDOS

JOHANN NIKURADSE
El ingeniero alemán Johann Nikuradse, en 1933, hizo una serie de experimentos en los cuales usó tubos de diferentes diámetros en cuyo interior pegó arenas de granulometría uniforme de manera que obtuvo varias relaciones /D (rugosidad relativa) perfectamente determinadas. En cada uno de los tubos varió el caudal de forma que obtuvo un amplio rango de números de Reynolds, conflujos que cubrían el rango desde laminar hasta turbulento y comportamiento hidráulicamente rugoso. Sus resultados los resumió en forma gráfica.

o 
 o
o >  > o
Conducto hidráulicamente liso Conducto hidráulicamente rugoso
Conductos con rugosidad artificial. Experimentos de Nikuradse.
Por ejemplo, una misma tubería de concreto, puede tener un comportamientohidráulico liso para flujos lentos de fluidos viscosos como el aceite que tienen un espesor grande de la subcapa laminar viscosa, pero puede tener comportamiento hidráulicamente rugoso para flujos más rápidos con fluidos de baja viscosidad como el agua.
Algunas de las ecuaciones que se dedujeron de su trabajo se presentan a continuación.
Para tubos rugosos en la zona turbulenta:


=rugosidad absoluta promedia de acuerdo al material del conducto. Se obtiene de tablas o se puede determinar experimentalmente.
Para tubos lisos en la zona de transición o turbulenta:



DIAGRAMA NIKURADSE

Como nuestro propósito es graficar Como función de , para todo el rango del n° , más allá del régimen laminar, para la construcción de la gráfica es empírica, se toman como parámetros losíndices de rugosidad relativa “” para las distintas curvas , y se obtiene el denominado diagrama “Nikuradse” así llamado en homenaje a su autor, Johann Nikuradse, en las que se grafica n° en abscisa; o factor de fricción en ordenadas con o rugosidad relativa como parámetro, por ejemplo significa que si el diámetro es 120 mm la variación media del radio de la tubería es 1 mm.

Con N° 2 se indica laasíntota inclinada correspondiente a las zona de tubería lisa (ZTL) ,da valores del factor de fricción independiente de la rugosidad como ya vimos; a partir de esta recta oblicua se desprenden las curvas Nº 4 de la zona de transición, (TR) donde el factor varia con la rugosidad y también con , finalmente las curvas se hacen asintóticas para cada rugosidad a un valor constante del factorindependiente, zona Nº 3 o zona de tubería rugosa donde el factor depende de la rugosidad y no de .


La Figura muestra el diagrama Nikuradse real, a la derecha se dan los parámetros de rugosidad de cada curva que van desde 0.033 a 0.00098; el valor de de 0.03 coincide aproximadamente con el valor del inicio de la transición laminar-turbulento, esto es = 2000 /2300, todas las tuberías en formaindependiente de la rugosidad, siguen esta recta de pendiente , para flujo laminar de < 2300, a partir de este valor, ya entrando en el régimen turbulento, la rugosidad interior de la tubería toma importancia, y habrá que determinar la rugosidad y ver que curva debemos usar, sin embargo todas ellas son asintóticas a la izquierda a una curva de tubería lisa.
En el rango de comprendido entre 2300 y elvalor al cual cada curva particular se desprende, se denomina “zona de tubería lisa” [ZTL], en esta región de números , el flujo turbulento no posee demasiada energía en la zona próxima a la pared del tubo y se establece una sub zona de comportamiento laminar, a veces indicada como sub capa laminar, en estos rangos la rugosidad no tiene una gran influencia, esto se observa en las curvas, que enforma independiente de la rugosidad convergen en la misma recta.
En la siguiente figura, se ve que los mesovolúmenes de tamaño casi diferencial, de baja energía se acumulan en loa los valles y picos y dejan una zona lisa en la cual no aparece la influencia de la rugosidad. La sub capa laminar es ancha y cubre a los picos.
Al finalizar la zona de tubería lisa, se establece una zona de transición...