Las Notas de Jero, Un lujo a nuestro alcance... Opciones

[tenista]

Quiero presentaros a...

Jero
@jeroitim

Ingeniero Mecánico. Apasionado por la ingeniería de Competición, en especial F1. E interesado en la aviación militar.

Desde hoy hasta cuando él quiera, nos "aprovecharemos" de sus conocimientos, para aumentar los nuestros. Sirva como presentación el siguiente hilo, creo es bastante mejor a que yo siga escribiendo palabra tras palabra.








https://twitter.com/jeroitim/status/1342857480716611590

[Jero]

Buenos días y buen jueves.

Este post va a tratar sobre flujos aerodinámicos, más bien sobre regímenes laminar y turbulento. Aunque eso si, primero te hablaré sobre algo que estarás harto (o harta) de oír o leer. Me refiero a los archiconocidos vórtices, por las retransmisiones de las carreras de Formula 1. Si te pregunto por ello, seguramente me digas que son unos torbellinos de aire que salen de las puntas de las alas, generalmente. Y no andas muy desencaminado, pero es mejor conocer las cosas de una manera más exacta.

Bueno, la pregunta sería entonces, ¿qué es un vórtice? En aerodinámica, un vórtice es flujo turbulento en rotación en espiral, con líneas de corriente cerradas (como en un tubo). Es decir, el vórtice se retroalimenta para mantener el movimiento en espiral.



En la imagen, ves un vórtice perfectamente definido, debido al humo de color rojo. Todo esto está genial, pero el porqué sucede esto hace que haya que ir a plantear la cuestión de que son los flujos laminares y turbulentos.

Un flujo laminar, en fluidomecánica, es aquél en que su movimiento está ordenado (estratificado) y es suave. Con agua se ven mejor estas cuestiones.



Como ves, el agua sale de la tubería de una manera uniforme, manteniendo una velocidad más o menos constante (verás que se ve transparente). Esto es así porque cada partícula de fluido sigue su trayectoria propia, sin alterar las trayectorías de otras partículas adyacentes; y esto da como resultado que el mecanismo de transporte lateral es sólo molecular.

Se denomina flujo turbulento a la corriente de fluido cuyo movimiento es caótico e impredecible, ya no hay movimiento suave y estratificado.



En flujo turbulento, las trayectorias de cada partícula se entremezclan y dan como resultado choques entre las mismas. Esto genera mucha diferencia de presiones entre volúmenes, por lo que el movimiento se vuelve caótico y las pérdidas de energía son altas.

Si recuerdas de anteriores post en los que te hable de viscosidad, esta es la responsable de que un flujo laminar se pueda volver turbulento en un momento determinado. El mecanismo es que cuando el flujo está estratificado (laminar), las partículas de diferentes estratos contiguos tratan de inducir rotación entre ellas mismas, debido a la fricción. Esta fricción hace que se pierda energía y, llegado un punto, esa pérdida de energía ocasiona que no se pueda superar la viscosidad del fluido. Es entonces cuando el flujo cambia de estado, y comienza a volverse turbulento porque hay zonas de fluido con poca energía que son empujadas por otras con más energía.



En este gráfico puedes ver perfectamente que ocurre con el gradiente de velocidades. En flujo laminar, este está estratificado, siendo mayor la velocidad en el centro del conducto y menor en las paredes. La frición entre las diferentes partículas hace que ese gradiente vaya igualándose, hasta que se genera turbulencia porque las partículas interfieren entre trayectorias, ocasionando que el movimiento sea caótico.

Para determinar la frontera entre flujo laminar y turbulento hay que acudir a un nº adimensional, usado en cálculos de fluidomecánica, llamado "nº de Reynolds". Este se define como la relación entre fuerzas de inercia y fuerzas viscosas, es decir la relación entre la energía cinética que lleva el fluido y la capacidad del mismo de mantenerse ordenado (viscosidad).



Esta será de las pocas ecuaciones que te ponga (no pretenden ser una clase de ingeniería estos post). En ella ves en que consiste el adimensional Reynolds (escrito Re). En el numerador verás la densidad, la velocidad y la distancia recorrida por el fluido respectivamente. En el denominador, la viscosidad dinámica o la viscosidad cinemática, si no tienes en cuenta la densidad del fluido.
¿Cómo interpretarlo? El Re para discenir entre regímenes laminar y turbulento es experimental, y depende de cada fluido y de la dimensión característica (D), la longitud que recorre el fluido. Pero, a grandes rasgos, si se quiere operar en régimen laminar hay que procurar que Re sea bajo, típicamente Re<2000. Si se quiere operar en régimen turbulento, entonces Re>3500.



¿Recuerdas el concepto de capa límite? Pues está muy relacionado con el Re. Como ves en este gráfico, la capa límite es mayor en régimen turbulento que en laminar. Eso sí, este cambio de laminar a turbulento no ocurre instantaneamente, sino que hay una etapa de transición (régimen sin definir) y después, si las fuerzas de inercia siguen aumentando, la viscosidad ya no es suficiente para mantener el fluido cohesionado.

Y, ahora, viene lo mejor. Los ingenieros aerodinamicistas, hace tiempo ya, observaron mediante experimentos que el régimen turbulento posee más energía cinética (mayor inercia) que el laminar y que su capa límite se vuelve más "gruesa" (por decirlo en román paladino) y es más difícil que esta se desprenda. Es decir, el flujo turbulento es capaz de avanzar mayor longitud sin alterar su trayectoria general (recuerda que las partículas se mueven de manera caótica, pero el compendio de ellas pueden ir en la misma dirección).

Bien, hasta aquí este post sobre flujos laminar y turbulento. En el próximo ya entraré en materia con los famosos vórtices, y los generadores de vórtices.