El número de Reynolds y el tipo de flujo

El número de Reynolds y el tipo de flujo

La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años de 1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzasinerciales a fuerzas viscosas en el fluido.
Esta razón se llama número de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como:

Dónde:



A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas nopueden evitar las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. Sin embargo a números de Reynolds pequeños o moderados, las fuerzas viscosas no son los suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido en “línea”. Por lo tanto el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo.
El número de Reynolds en donde el flujo se vuelve turbulento se llamanúmero de Reynolds crítico . El valor del número de Reynolds crítico es diferente para geometrías y condiciones de flujo distintas. Para flujo interno en una tubería circular, el valor generalmente aceptado para el número de Reynolds crítico es:
Para flujo a través de tuberías no circulares, el número de Reynolds se basa en el diámetro hidráulico que se define como:

Dónde:


El diámetrohidráulico se define de modo que se reduce a diámetro común D para tuberías circulares:

Es evidente que la transición de flujo laminar a turbulento también depende del grado de perturbación del flujo por la rugosidad de la superficie, las vibraciones de la tubería y las fluctuaciones en el flujo. En la mayoría de las condiciones prácticas, el flujo en una tubería circular es laminar para ,turbulento para y transicional entre ellos. Es decir:



En el flujo transicional, el flujo cambia entre laminar y turbulento de manera aleatoria.
Se debe tener en mente que el flujo laminar se puede mantener en números de Reynolds muchos más altos en tuberías muy lisas cuando se evitan las perturbaciones de flujo y las vibraciones de tubería. En estos experimentos cuidadosamente controlados,el flujo laminar se ha mantenido en números de Reynolds de hasta 100 000.
Flujo laminar y turbulento.

En el régimen laminar el flujo tiene un movimiento ordenado, en el que las partículas de fluido se mueven en líneas paralelas (en capas), sin que se produzca mezcla de materia entre las distintas capas. Los flujos laminares tienen una distribución de velocidades típicamente parabólica, esto esdebido a que las tensiones tangenciales son producidas exclusivamente por la viscosidad molecular y esta domina sobre los efectos de inercia.
En el régimen turbulento existe una mezcla entre las capas debido a que la velocidad en cada punto es distinta. Dicha velocidad presenta una fluctuación en el tiempo produciendo una alta disipación de energía. Los perfiles de velocidad en los flujosturbulentos presentan un núcleo central más plano, debido a un rápido intercambio de cantidad de movimiento de las partículas, con un gradiente de velocidades sobre la pared mayor que provoca mayores tensiones tangenciales sobe la misma.
En los flujos turbulentos la viscosidad molecular tiene una muy débil influencia y las tensiones tangenciales (de naturaleza diferente a la molecular) songobernadas casi exclusivamente por los efectos inerciales asociados a procesos no estacionarios en los flujos.

Es posible verificar la existencia de dichos regímenes de flujo laminar, de transición y turbulento cuando se inyectan algunas líneas de colorante en el flujo en una tubería de vidrio, como lo hizo el ingeniero Osborne Reynolds (1842-1912) hace más de un siglo. El observo que las líneas de...