¡Hola amigos!
En este contenido aprenderemos cómo predecir y cuantificar la **turbulencia efectiva** desde el punto de vista de la ingeniería. La mayoría de los problemas de flujo que ocurren en la vida ingenieril son turbulentos por naturaleza, por lo que el conocimiento de la turbulencia es imperativo para un ingeniero. **Vamos a responder la pregunta del millón**: ¿Por qué ocurre la turbulencia? ¿Cuál es su razón?
Bueno, no hay una respuesta precisa para esta pregunta. Pero echemos un vistazo a una famosa declaración hecha por Heisenberg. En esta conferencia no discutiremos por qué ocurre la turbulencia, sino cómo ocurre, cuál es su naturaleza, y cómo podemos predecirla y cuantificarla.
¿Cómo podemos reconocer si el flujo es turbulento o no?
Hay tres características de un flujo turbulento:
- Siempre es tridimensional,
- Siempre fluctúa,
- Siempre caótico, lleno de remolinos y estelas.
Para entender mejor la naturaleza de la turbulencia, analizaremos un **problema simple de la vida diaria**. Imagina el problema del agua que sale de un grifo.
Caso 1: Baja fluidez
En el primer caso, cuando el flujo es bajo, puedes observar que el flujo es laminar, sin fluctuaciones ni caos. Es un caso laminar puro.
Casos 2 y 3: Aumento de fluidez
En los otros dos casos, donde el flujo es mayor, puedes ver cómo la turbulencia aumenta y el flujo se vuelve más caótico, más fluctuante. Esto demuestra que la turbulencia aumenta a medida que aumenta la velocidad del flujo.
Ahora, hagamos otro experimento. Usemos un fluido más viscoso, como el aceite, en lugar del agua. Aquí tienes los resultados: incluso con un flujo similar al caso 2, el flujo no es turbulento, sino laminar. Esto se debe a que el fluido es más viscoso, lo que disminuye la probabilidad de turbulencia.
Para resumir, la turbulencia aumenta con el aumento de la velocidad del flujo y disminuye con un aumento de la viscosidad del fluido.
¿Qué es el número de Reynolds?
El número de Reynolds es un criterio que define si el flujo es turbulento o laminar. Cuando el número de Reynolds es mayor que un valor crítico, se considera que el flujo es turbulento; cuando es menor, se considera laminar. El número de Reynolds se puede expresar como:
**Rh** = (Velocidad x Diámetro de la tubería) / Viscosidad
Por lo tanto, es evidente que cuando el cociente entre las dos fuerzas, la inercial y la viscosa, aumenta, la turbulencia también aumenta.
El flujo turbulento y la importancia de promediar los resultados
Consideremos un flujo turbulento en el que medimos la velocidad en un punto específico a lo largo del tiempo.
Esperaríamos que la velocidad se mantuviera constante en el tiempo, pero en realidad encontramos que fluctúa mucho. Sin embargo, si promediamos los valores durante un intervalo de tiempo, obtenemos un valor constante. Esto demuestra que ningún flujo turbulento es estable, solo podemos hablar de un estado estable si se trata del valor promedio de la variable de flujo.
Podemos aplicar el concepto de promedio a cualquier variable de flujo, como la presión, la temperatura, etc. Un ingeniero siempre hablará en términos de promedios cuando se encuentre con un flujo turbulento.
Análisis más detallado del flujo turbulento
Analizaremos el **esfuerzo cortante** durante un flujo turbulento. Para hacerlo más fácil de analizar, utilizaremos un perfil de velocidad promedio:
Ya que el flujo es turbulento, necesitamos considerar **torbellinos** que transportan masa entre las capas de fluido. Esto implica que la ecuación inversa del esfuerzo cortante debería incluir un término adicional para incorporar estos torbellinos. Este término se conoce como **esfuerzo cortante turbulento**.
La determinación de este esfuerzo cortante turbulento en términos de cantidades conocidas es uno de los problemas más complicados en la mecánica de fluidos. A esto se le suele llamar **modelización de la turbulencia**.
Turbulencia efectiva en la ingeniería
En la mayoría de los casos, la turbulencia es favorable en la ingeniería. Aumenta la transferencia de calor, la transferencia de masa y la mezcla efectiva de diferentes capas de fluido. También reduce la resistencia al flujo alrededor de un cuerpo, lo que explica por qué se utilizan hoyuelos en las pelotas de golf. Esto convierte el flujo laminar en turbulento, reduciendo la resistencia y aumentando el alcance de la pelota.
Es importante recordar que la turbulencia es un área vasta y compleja. Espero que esta introducción te haya dado una idea clara.
