Separación de flujo

En dinámica de fluidos, la separación de flujo o separación de capa límite es el desprendimiento de una capa límite de una superficie en una estela.

Existe una capa límite siempre que haya un movimiento relativo entre un fluido y una superficie sólida con fuerzas viscosas presentes en la capa de fluido cercana a la superficie. El flujo puede ser externo, alrededor de un cuerpo, o interno, en un pasaje cerrado. Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas. Se puede realizar una evaluación razonable de si la capa límite será laminar o turbulenta calculando el número de Reynolds de las condiciones de flujo locales.

La separación se produce en un flujo que se desacelera, con aumento de presión, después de pasar por la parte más gruesa de un cuerpo aerodinámico o de pasar por un paso que se ensancha, por ejemplo.

El flujo contra una presión creciente se conoce como flujo en un gradiente de presión adverso. La capa límite se separa cuando ha viajado lo suficientemente lejos en un gradiente de presión adverso como para que la velocidad de la capa límite en relación con la superficie se haya detenido y haya invertido su dirección. El flujo se desprende de la superficie y, en su lugar, adopta la forma de remolinos y vórtices. El fluido ejerce una presión constante sobre la superficie una vez que se ha separado en lugar de una presión que aumenta continuamente si sigue unido. En aerodinámica, la separación del flujo da como resultado una menor sustentación y un mayor arrastre por presión, causados por la diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera del objeto. Provoca sacudidas en las estructuras de la aeronave y las superficies de control. En los pasajes internos, la separación provoca pérdida de sustentación y vibraciones en las palas de la maquinaria y mayores pérdidas (menor eficiencia) en las entradas y los compresores. Se han dedicado muchos esfuerzos e investigaciones al diseño de contornos de superficie aerodinámicos e hidrodinámicos y características añadidas que retrasan la separación del flujo y mantienen el flujo unido durante el mayor tiempo posible. Algunos ejemplos son el pelo de una pelota de tenis, los hoyuelos de una pelota de golf, los turbuladores de un planeador, que inducen una transición temprana al flujo turbulento, y los generadores de vórtices de los aviones.

La inversión del flujo se debe principalmente al gradiente de presión adverso impuesto sobre la capa límite por el flujo potencial externo. La ecuación de momento en el sentido de la corriente dentro de la capa límite se expresa aproximadamente como:

${\displaystyle u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}} {}}} {\$

Donde ${\displaystyle s,y}$ son coordenadas normales y racionales. Un gradiente de presión adversa es cuando ${\displaystyle dp/ds confía0}$, que entonces se puede ver para causar la velocidad ${\displaystyle u}$ disminuir a lo largo ${\displaystyle s}$ y posiblemente ir a cero si el gradiente de presión adversa es lo suficientemente fuerte.

La tendencia de una capa de límites a separarse depende principalmente de la distribución de lo negativo o negativo velocidad de borde gradiente ${\displaystyle du_{o}/ds(s)$ a lo largo de la superficie, que a su vez está directamente relacionada con la presión y su gradiente por la forma diferencial de la relación Bernoulli, que es el mismo que la ecuación de impulso para el flujo invisivo externo.

${\displaystyle \rho u_{o}{du_{o} {\cHFF}$

Pero las magnitudes generales de ${\displaystyle du_{o}/ds}$ requerido para la separación es mucho mayor para el turbulento que para el flujo laminar, el primero es capaz de tolerar casi un orden de magnitud más fuerte de la desaceleración del flujo. Una influencia secundaria es el número Reynolds. Para un adverso dado ${\displaystyle du_{o}/ds}$ distribución, la resistencia a la separación de una capa fronteriza turbulenta aumenta ligeramente con el número creciente de Reynolds. En cambio, la resistencia a la separación de una capa de límite laminar es independiente del número de Reynolds, un hecho algo contraintuitivo.

La separación de la capa límite puede ocurrir en el caso de flujos internos. Puede ser resultado de causas como un conducto de tubería que se expande rápidamente. La separación se produce debido a un gradiente de presión adverso que se encuentra a medida que el flujo se expande, lo que provoca una región extendida de flujo separado. La parte del flujo que separa el flujo recirculante y el flujo que pasa por la región central del conducto se denomina línea de corriente divisoria. El punto donde la línea de corriente divisoria se une nuevamente a la pared se denomina punto de reconexión. A medida que el flujo avanza más aguas abajo, finalmente alcanza un estado de equilibrio y no tiene flujo inverso.

Cuando la capa límite se separa, sus restos forman una capa de cizallamiento y la presencia de una región de flujo separada entre la capa de cizallamiento y la superficie modifica el flujo potencial externo y el campo de presión. En el caso de los perfiles aerodinámicos, la modificación del campo de presión produce un aumento de la resistencia a la presión y, si es lo suficientemente grave, también provocará pérdida de sustentación y pérdida de sustentación, todos ellos fenómenos indeseables. En el caso de los flujos internos, la separación del flujo produce un aumento de las pérdidas de flujo y fenómenos de tipo pérdida de sustentación, como el aumento repentino del compresor, ambos fenómenos indeseables.

Otro efecto de la separación de la capa límite son los vórtices de desprendimiento regulares, conocidos como calle de vórtices de Kármán. Los vórtices se desprenden de la superficie del acantilado aguas abajo de una estructura a una frecuencia que depende de la velocidad del flujo. El desprendimiento de vórtices produce una fuerza alterna que puede provocar vibraciones en la estructura. Si la frecuencia del desprendimiento coincide con una frecuencia de resonancia de la estructura, puede provocar un fallo estructural. Estas vibraciones podrían establecerse y reflejarse a diferentes frecuencias en función de su origen en cuerpos sólidos o fluidos adyacentes y podrían amortiguar o amplificar la resonancia.

• Triple teoría de la cubierta
• Aerodinámica
• La paradoja de D'Alembert
• Efecto magnético

• Anderson, John D. (2004), Introducción al vueloMcGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3.
• L. J. Clancy (1975), Aerodinámica, Pitman Publishing Limited, London ISBN 0-273-01120-0.

• Aerospaceweb-Golf Ball Dimples " Drag
• Aerodinámica en Equipamiento Deportivo, Recreación y Máquinas – Golf – Instructor
• Marie Curie Network on Advances in Numerical and Analytical Tools for Detached Flow Prediction Archived 2 November 2018 at the Wayback Machine