Relaciones humanas del supervisor

TURBULENCIA
1. INTRODUCCIÓN
2. NATURALEZA Y CARACTERÍSTICAS DE LA TURBULENCIA
3. ORIGEN DE LA TURBULENCIA: INESTABILIDADES
4. LA CASCADA DE ENERGÍA Y LAS ESCALAS DE LA TURBULENCIA
5. MÉTODOS DE CÁLCULO Y ANÁLISIS DE FLUJOS TURBULENTOS
6. BIBLIOGRAFÍA
Anexo I. CARACTERÍSTICAS DE FLUJOS TURBULENTOS SIMPLES
Anexo II. TÉCNICAS DE MEDIDA: ANEMOMETRÍAS TÉRMICA Y LÁSER
Chorro turbulentoSimulación Numérica Directa (DNS)
de un chorro (Mach 1.92)
Rafael Ballesteros Tajadura
Curso 2004-2005
Área de Mecánica de Fluidos. TURBULENCIA
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1. INTRODUCCIÓN
Los movimientos turbulentos son muy comunes, tanto en la naturaleza (flujos atmosféricos, ríos,...) como en
diferentes aplicaciones de interés tecnológico (flujos en conductos, turbomaquinaria, calderas, cámaras de combustión,
equiposde intercambio de calor, aerodinámica de vehículos,...), hasta el punto de que la mayor parte de los flujos de
interés tecnológico son turbulentos. La turbulencia modifica significativamente parámetros tales como la resistencia a la
fricción, la transmisión de calor o la capacidad de mezcla, es necesario su comprensión y su caracterización.
No existe una teoría completa del fenómeno ni pareceque por el momento se vaya a establecer. De todas
formas, durante la segunda mitad del siglo XX se ha llegado a caracterizar el movimiento turbulento mediante el uso de
diversos métodos: visualización de flujos, desarrollo de instrumentación adecuada y resolución numérica de las
ecuaciones de constitución. Con el uso combinado de estos métodos se han llegado a perfeccionar modelos parciales
quepermiten abordar flujos turbulentos, incluso en geometrías complejas.
El principal objetivo de este tema es la descripción del fenómeno de la turbulencia, su efecto en los flujos y su
modelado. Finalmente, se describirán brevemente dos técnicas de medida que permiten caracterizar la turbulencia.
2. NATURALEZA Y CARACTERÍSTICAS DE LA TURBULENCIA
2.1. EXPERIMENTO DE REYNOLDS
En 1883 OsborneREYNOLDS (1842-1912) realizó un
experimento que sirvió para poner en evidencia las diferencias entre flujo
laminar y flujo turbulento. Este experimento consiste en inyectar
colorante en un líquido que circula por un largo tubo de sección circular
constante. Para esta geometría ya se ha obtenido una solución analítica de
la distribución de velocidad y de la relación de las pérdidas de carga conel
caudal (ecuación de Hagen-Poiseuille). Este movimiento se caracteriza
por ser permanente y porque las líneas de corriente son paralelas a las
paredes del tubo. Sin embargo, Reynolds observó que dicho movimiento
sólo existe si la velocidad del flujo es suficientemente pequeña o el
diámetro del tubo es suficientemente pequeño para un caudal dado. Bajo
estas circunstancias, el coloranteforma una línea de corriente bien
definida cuyo contorno muestra que sólo existe una pequeña difusión en la
dirección radial, debida al transporte molecular.
Área de Mecánica de Fluidos. TURBULENCIA
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Esquema del Tanque de Reynolds
Diferentes tipos de flujos en el conducto Fotografía del Tanque de Reynolds
Además, cualquier perturbación que aparece en el flujo es amortiguada rápidamente. Estemovimiento es el
denominado laminar. Sin embargo, si la velocidad es suficientemente grande o el diámetro del tubo es suficientemente
grande, el movimiento del fluido se hace muy sensible a cualquier perturbación, que se puede amplificar rápidamente.
El flujo se hace entonces irregular y pierde su carácter estacionario. El grosor del colorante crece rápidamente, el
contorno se difumina y tomaforma irregular hasta que aguas abajo, se convierte en una nube. Este movimiento es el
denominado turbulento.
La mayor contribución de Reynolds fue el descubrimiento de que la existencia de uno u otro tipo de flujo
depende del valor que tomase una agrupación adimensional de variables relevantes del flujo:
ν
v D
siendo ‘v’ la
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velocidad media del...