Flujo laminar

Tanto flujo laminar suave y claro y flujo turbulento con espuma se puede ver en el borde de las cataratas de Horseshoe.

El perfil de velocidad asociado con el flujo laminar se asemeja a una cubierta de tarjetas. Este perfil de flujo de un fluido en una tubería muestra que el fluido actúa en capas que se deslizan entre sí.

En dinámica de fluidos, el flujo laminar se caracteriza por partículas de fluido que siguen trayectorias uniformes en capas, con cada capa moviéndose suavemente pasando las capas adyacentes con poca o ninguna mezcla. A bajas velocidades, el fluido tiende a fluir sin mezclarse lateralmente, y las capas adyacentes se deslizan entre sí como naipes. No hay corrientes cruzadas perpendiculares a la dirección del flujo, ni remolinos o remolinos de fluidos. En flujo laminar, el movimiento de las partículas del fluido es muy ordenado con partículas cercanas a una superficie sólida moviéndose en línea recta paralela a esa superficie. El flujo laminar es un régimen de flujo caracterizado por una difusión de momento alto y una convección de momento bajo.

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado como una tubería o entre dos placas planas, puede ocurrir cualquiera de los dos tipos de flujo según 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 las dimensiones del canal. El flujo turbulento es un régimen de flujo menos ordenado que se caracteriza por remolinos o pequeños paquetes de partículas fluidas, que dan como resultado una mezcla lateral. En términos no científicos, el flujo laminar es suave, mientras que el flujo turbulento es áspero.

Relación con el número de Reynolds

Una esfera en el flujo de Stokes, a muy bajo número de Reynolds. 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 ocurre 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 qué tan viscoso es, independientemente de la escala del sistema de fluidos. El flujo laminar generalmente ocurre cuando el fluido se mueve lentamente o el fluido es muy viscoso. A medida que aumenta el número de Reynolds, por ejemplo, al aumentar la tasa de flujo del fluido, el flujo pasará de flujo laminar a turbulento en un rango específico de números de Reynolds, dependiendo el rango de transición laminar-turbulento de los pequeños niveles de perturbación en el fluido o de las 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 de inercia.

El cálculo específico del número de Reynolds y los valores en los que se produce el 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

Re=*** *** uDHμ μ =uDH.. =QDH.. A,{displaystyle mathrm {Re} ={frac {rho Oh, Dios mío. ¿Qué? ¿Qué? A}}

donde:

D_H es el diámetro hidráulico de la tubería (m);

Q es el caudal volumétrico (m³/s);

A es el área transversal de la tubería (m²);

u es la velocidad media del fluido (unidades SI: m/s);

μ es la viscosidad dinámica del fluido (Pa·s = N·s/m² = kg/(m·s));

. es la viscosidad cinemática del fluido, . = μ/*** (m²/s);

*** es la densidad del fluido (kg/m³).

Para tales sistemas, el flujo laminar ocurre 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.

Para los sistemas de fluidos que ocurren en superficies externas, como el flujo que pasa por objetos suspendidos en el fluido, se pueden usar otras definiciones de números de Reynolds para predecir el tipo de flujo alrededor del objeto. El número de Reynolds de partículas Re_p se usaría para partículas suspendidas en fluidos que fluyen, por ejemplo. Al igual que con el flujo en las tuberías, el flujo laminar generalmente ocurre con números de Reynolds más bajos, mientras que el flujo turbulento y los fenómenos relacionados, como el desprendimiento de vórtices, ocurren con números de Reynolds más altos.

Ejemplos

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

1. Una aplicación común de flujo laminar está en el flujo liso de un líquido viscoso a través de un tubo o tubo. En ese caso, la velocidad del flujo varía de cero en las paredes a un máximo a lo largo del centro transversal del vaso. El perfil de flujo de flujo laminar en un tubo se puede calcular dividiendo el flujo en elementos cilíndricos delgados y aplicando la fuerza viscosa a ellos.
2. Otro ejemplo es el flujo de aire sobre un ala de avión. La capa de límite es una hoja muy delgada de aire que se encuentra 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 por el aire, la capa de límite al principio fluye suavemente sobre la forma simplificada del aeroplano. Aquí, el flujo es laminar y la capa de límite es una capa laminar. Prandtl aplicó el concepto de la capa de límite laminar a los espacios aéreos en 1904.
3. Un ejemplo cotidiano es el flujo lento, suave y ópticamente transparente de agua poco profunda sobre una barrera suave.
4. Cuando el agua deja un grifo con poca fuerza, primero exhibe flujo laminar, pero como la aceleración por la fuerza de gravedad se establece inmediatamente, el número de Reynolds del flujo aumenta con velocidad, y el flujo laminar puede pasar a flujo turbulento. La transparencia óptica se reduce o se pierde por completo.
5. 

   Combinación de flujo laminar y turbulento en una cascada. Laminar (exactamente sobre la cresta) y flujo turbulento (inmediatamente aguas abajo con espuma blanca) de las Cataratas Victoria
   En las cascadas se produce una versión a gran escala de los ejemplos 3 y 4, ya que ahora hojas amplias de agua fluida caen sobre una cresta o borde de la cascada. Inmediatamente la transición a la turbulencia se establece con velocidad debido a la aceleración (el número de Reynolds cruza el umbral para la turbulencia) y el agua aerada espumante oscurece el flujo de caída.

Barreras de 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 por 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 1971 desarrolló un diseño de flujo laminar para la cría de animales de ratas para el manejo de enfermedades y se convirtió en un estándar en todo el mundo, incluso en el entonces Bloque del Este.