Flujo laminar
Flujo donde las partículas de fluido siguen trayectorias suaves en capas.
El perfil de velocidad asociado con el flujo laminar se asemeja a una baraja de cartas . Este perfil de flujo de un fluido en una tubería muestra que el fluido actúa en capas que se deslizan unas sobre otras.

El flujo laminar ( / ˈl æ m ɪ n ər / ) es la propiedad de las partículas de fluido en dinámica de fluidos de seguir trayectorias suaves en capas, con cada capa moviéndose suavemente más allá de las capas adyacentes con poca o ninguna mezcla. [ 1] A bajas velocidades, el fluido tiende a fluir sin mezcla lateral, y las capas adyacentes se deslizan una sobre otra suavemente. No hay corrientes cruzadas perpendiculares a la dirección del flujo, ni remolinos o torbellinos de fluidos. [2] En el flujo laminar, el movimiento de las partículas del fluido es muy ordenado con partículas cercanas a una superficie sólida moviéndose en líneas rectas paralelas a esa superficie. [3] El flujo laminar es un régimen de flujo caracterizado por una alta difusión de momento y una baja convección de momento .

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado, como una tubería o entre dos placas planas, puede producirse cualquiera de los dos tipos de flujo, dependiendo de la velocidad y la viscosidad del fluido: flujo laminar o flujo turbulento . El flujo laminar se produce a velocidades más bajas, por debajo de un umbral en el que el flujo se vuelve turbulento. La velocidad umbral está determinada por un parámetro adimensional que caracteriza el flujo llamado número de Reynolds , que también depende de la viscosidad y la densidad del fluido y de las dimensiones del canal. El flujo turbulento es un régimen de flujo menos ordenado que se caracteriza por remolinos o pequeños paquetes de partículas de fluido, que dan lugar a una mezcla lateral. [2] En términos no científicos, el flujo laminar es suave , mientras que el flujo turbulento es irregular .

Relación con el número de Reynolds

Una esfera en un flujo de Stokes, con un número de Reynolds muy bajo . Un objeto que se mueve a través de un fluido experimenta una fuerza de arrastre en la dirección opuesta a su movimiento.

El tipo de flujo que se produce en un fluido en un canal es importante en los problemas de dinámica de fluidos y, posteriormente, afecta la transferencia de calor y masa en los sistemas de fluidos. El número de Reynolds adimensional es un parámetro importante en las ecuaciones que describen si las condiciones de flujo completamente desarrolladas conducen a un flujo laminar o turbulento. El número de Reynolds es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza de corte del fluido: qué tan rápido se mueve el fluido en relación con su viscosidad , independientemente de la escala del sistema de fluido. El flujo laminar generalmente ocurre cuando el fluido se mueve lentamente o es muy viscoso. A medida que aumenta el número de Reynolds, por ejemplo, al aumentar la velocidad de flujo del fluido, el flujo pasará de flujo laminar a turbulento en un rango específico de números de Reynolds, y el rango de transición laminar-turbulento depende de pequeños niveles de perturbación en el fluido o imperfecciones en el sistema de flujo. Si el número de Reynolds es muy pequeño, mucho menor que 1, entonces el fluido exhibirá un flujo de Stokes o progresivo, donde las fuerzas viscosas del fluido dominan las fuerzas inerciales.

El cálculo específico del número de Reynolds y los valores en los que se produce flujo laminar dependerán de la geometría del sistema de flujo y del patrón de flujo. El ejemplo común es el flujo a través de una tubería , donde el número de Reynolds se define como

R mi = ρ tú D yo micras = tú D yo no = Q D yo no A , {\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={ \frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}

dónde:

D H es el diámetro hidráulico de la tubería (m);
Q es el caudal volumétrico (m 3 /s);
A es el área de la sección transversal de la tubería (m 2 );
u es la velocidad media del fluido ( unidades SI : m/s);
μ es la viscosidad dinámica del fluido (Pa·s = N·s/m 2 = kg/(m·s));
ν es la viscosidad cinemática del fluido, ν = ⁠micras/ρ⁠ (m2/s);
ρ es la densidad del fluido (kg/m 3 ).

En estos sistemas, el flujo laminar se produce cuando el número de Reynolds está por debajo de un valor crítico de aproximadamente 2040, aunque el rango de transición suele estar entre 1800 y 2100. [4]

En el caso de los sistemas de fluidos que se producen en superficies externas, como el flujo que pasa por objetos suspendidos en el fluido, se pueden utilizar otras definiciones de números de Reynolds para predecir el tipo de flujo alrededor del objeto. Por ejemplo, el número de Reynolds de partículas Rep se utilizaría para partículas suspendidas en fluidos que fluyen. Al igual que con el flujo en tuberías, el flujo laminar suele producirse con números de Reynolds más bajos, mientras que el flujo turbulento y los fenómenos relacionados, como el desprendimiento de vórtices , se producen con números de Reynolds más altos.

Ejemplos

En el caso de una placa en movimiento en un líquido, se encuentra que hay una capa (lámina) que se mueve con la placa y una capa de líquido estacionario junto a cualquier placa estacionaria.

Una aplicación común del flujo laminar es el flujo suave de un líquido viscoso a través de un tubo o cañería. En ese caso, la velocidad del flujo varía desde cero en las paredes hasta un máximo a lo largo del centro de la sección transversal del recipiente. El perfil de flujo del flujo laminar en un tubo se puede calcular dividiendo el flujo en elementos cilíndricos delgados y aplicándoles la fuerza viscosa. [5]

Otro ejemplo es el flujo de aire sobre el ala de un avión . La capa límite es una lámina muy fina de aire que se extiende sobre la superficie del ala (y todas las demás superficies del avión). Debido a que el aire tiene viscosidad , esta capa de aire tiende a adherirse al ala. A medida que el ala avanza a través del aire, la capa límite fluye al principio suavemente sobre la forma aerodinámica del perfil aerodinámico . Aquí, el flujo es laminar y la capa límite es una capa laminar. Prandtl aplicó el concepto de capa límite laminar a los perfiles aerodinámicos en 1904. [6] [7]

Un ejemplo cotidiano es el flujo lento, suave y ópticamente transparente de agua poco profunda sobre una barrera lisa. [8]

Cuando el agua sale de un grifo sin aireador con poca fuerza, primero presenta un flujo laminar, pero como la fuerza de la gravedad acelera inmediatamente, el número de Reynolds del flujo aumenta con la velocidad y el flujo laminar del agua que sale del grifo puede transformarse en un flujo turbulento. La transparencia óptica se reduce o se pierde por completo.

Barreras de flujo laminar

Cámara experimental para estudiar la quimiotaxis en respuesta al flujo laminar

El flujo de aire laminar se utiliza para separar volúmenes de aire o evitar que los contaminantes transportados por el aire entren en un área. Las campanas de flujo laminar se utilizan para excluir contaminantes de procesos sensibles en ciencia, electrónica y medicina. Las cortinas de aire se utilizan con frecuencia en entornos comerciales para evitar que el aire caliente o refrigerado pase a través de las puertas. Un reactor de flujo laminar (LFR) es un reactor que utiliza flujo laminar para estudiar reacciones químicas y mecanismos de proceso. Beall et al. desarrollaron un diseño de flujo laminar para la cría de ratas para el manejo de enfermedades en 1971 y se convirtió en un estándar en todo el mundo [9] , incluido el entonces Bloque del Este . [10]

Véase también

Referencias

  1. ^ Streeter, VL (1951-1966) Mecánica de fluidos , Sección 3.3 (4.ª edición). McGraw-Hill
  2. ^ ab Geankoplis, Christie John (2003). Procesos de transporte y principios de los procesos de separación. Referencia técnica profesional de Prentice Hall. ISBN 978-0-13-101367-4. Archivado desde el original el 1 de mayo de 2015.
  3. ^ Noakes, Cath; Sleigh, Andrew (enero de 2009). "Real Fluids". An Introduction to Fluid Mechanics . Universidad de Leeds. Archivado desde el original el 21 de octubre de 2010 . Consultado el 23 de noviembre de 2010 .
  4. ^ Avila, K.; Moxey, D.; de Lozar, A.; Avila, M.; Barkley, D.; Hof, B. (julio de 2011). "El inicio de la turbulencia en el flujo de tuberías". Science . 333 (6039): 192–196. Bibcode :2011Sci...333..192A. doi :10.1126/science.1203223. PMID  21737736. S2CID  22560587.
  5. ^ Nave, R. (2005). "Laminar Flow". HyperPhysics . Universidad Estatal de Georgia. Archivado desde el original el 19 de febrero de 2011. Consultado el 23 de noviembre de 2010 .
  6. ^ Anderson, JD (1997). Una historia de la aerodinámica y su impacto en las máquinas voladoras. Cambridge University Press. ISBN 0-521-66955-3.
  7. ^ Rogers, DF (1992). Análisis de flujo laminar. Cambridge University Press. ISBN 0-521-41152-1.
  8. ^ soberan578 (5 de noviembre de 2016). «Flujo laminar en la naturaleza». YouTube . Consultado el 17 de diciembre de 2019 .
  9. ^ Faith, Robert E.; Hessler, Jack R. (2006). "10. Vivienda y medio ambiente". En Suckow, Mark A.; Weisbroth, Steven H.; Franklin, Craig L. (eds.). La rata de laboratorio (2.ª ed.). Ámsterdam, Boston: American College of Laboratory Animal Medicine ( AP ). pág. 304/pp. 304–337/xvi+912. ISBN  978-0-08-045432-0.OCLC 162569241  . ISBN  9780120749034 ISBN 0120749033 
  10. ^ Trávníček, J.; Mandel, L. (1979). "Técnicas gnotobióticas". Folia Microbiológica . 24 (1). Sociedad Checoslovaca de Microbiología ( Springer ): 6–10. doi :10.1007/bf02927240. ISSN  0015-5632. PMID  374207. S2CID  6421827.
Busque laminar en Wikcionario, el diccionario libre.
  • Cascada de flujo laminar de 3 m de altura, 1:01 m:s, 2016 en YouTube
  • Construya una boquilla de flujo laminar por $15, 8:07 m:s, 2008 en YouTube
  • Flujo laminar de un pequeño arroyo, 2016 en YouTube
  • Una fuente en Chicago, 2014 en YouTube
  • Flujo laminar reversible demostrado con jarabe de maíz azul y verde, 2007 en YouTube
  • Flujo laminar en una tubería, 2006 en YouTube
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