Efecto vórtice

Análisis de fluidos

Efecto vórtice

Felipe Daniel Vargas Romero

Edith Abigail Hernández Eufracio

Ingeniería Mecatrónica

Introducción

Los vórtices anulares o vórtices de anillo son un fenómeno que se presenta en los fluidos cuando la capa límite se desprende de la superficie lisa y sólida en el borde de un conducto circular y se enrolla sobre sí misma en espiral por efecto de la vorticidad.

La capa límite se forma debido a los esfuerzos viscosos existentes cuando un fluido se desplaza por una superficie plana.

Capa límite sobre una superficie lisados Los vórtices de anillo se han convertido en importantes tópicos de investigación para la mecánica de fluidos debido a sus aplicaciones, entre ellas:

 La transferencia de calor.

 El movimiento de la sangre a través de los canales sanguíneos.

 El movimiento de fluidos dentro de tuberías.

 En el interior de cavidades térmicas con fines de análisis térmicos y dinámicos.

 En mezcladores.

 Explosiones nucleares.

 Otras aplicaciones en dónde se requiere alta recirculación turbulenta.

Aunque haya diversas configuraciones de vórtices de anillo dependiendo de las aplicaciones mencionadas con anterioridad, es importante mencionar que todas tienen una característica propia: la morfología. En otras palabras, siempre se obtendrá una forma circular de fluido en movimiento axisimétrico (simetría respecto a un eje) y en don

de el vector de vorticidad (el rotacional del vector velocidad) está dirigido hacia los círculo concéntricos con el eje de giro del toroide formado; por ello, el vector vorticidad es perpendicular al eje de simetría del toroide.

Movimiento axisimétrico de un vórtice de anillo

Vórtice anular visto de perfil

Visualización de morfología de un vórtice anular

Origen de los Vórtices de Anillo

El estudio de estos vórtices data del siglo XIX, cuando el físico alemán Hermann Von Helmholtz escribió un tratado basado en vórtices anulares [1]. En este tratado, Helmholtz explica la dinámica de un fenómeno que hasta ese momento era desconocido. Posteriormente la formación, aplicación, geometría y configuraciones de los vórtices de anillo se vuelven tópico de investigación. No se sabe con certeza el motivo o lo que observó Helmholtz para comenzar con sus estudios en vórtices anulares, pero desde que realizó el escrito antes mencionado, muchos se dieron a tarea de estudiar más a fondo este fenómeno.

La importancia de crear estos vórtices radica en que por medio de experimentos, es posible descubrir nuevas hipótesis sobre los vórtices de anillo, y es semillero de las nuevas tendencias científicas sobre esta formación curiosa de los fluidos.

Formación de los Vórtices de Anillo Un vórtice anular

en mecánica de fluidos está referido a un vórtice que tiene la forma de anillo con velocidad y dimensiones definidas. Los vórtices de anillo se distinguen entre ellos dependiendo del tipo de chorro que los produce. El parámetro que sirve como referencia en la formación de un vórtice anular es la relación (L/D), que debe estar entre 3.6 y 4.5

Existen números de formación que van desde valores muy bajos hasta valores altos. En este trabajo se analizan relaciones de formación (L/D) de 1, 2 y 3. En la formación de vórtices anulares, los parámetros son explicados para comprender mejor el cómo se forman y que variables están involucradas.

Definiendo las variables mostradas:

• D, diámetro del cilindro por donde sale el fluido inyectado.

• L, longitud de inyección del fluido dentro del cilindro.

• U, velocidad axial de desplazamiento.

• R, radio del vórtice.

• 2a, tamaño característico del espiral (núcleo del vórtice).

• Γ, la circulación del vórtice, que en la mayoría de las veces se desplaza en sentido contrario a las manecillas del reloj.

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