Flujo turbulento

UNIVERSIDAD TECNICA DE COTOPAXI´’0p

UNIDAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA Y APLICADAS

CARRERA DE ELECTROMECANICA[pic 1]

CICLO:                  Sexto “A” 

ASIGNATURA:    Termoaplicada  

FECHA:                15-12-2015

TEMA: [pic 2]

 INTEGRANTES:

Juan Carlos Medina

Franklin Veintimilla

Juan Vargas

Latacunga-Ecuador

2015

Objetivos Generales:

Analizar transferencia de  calor y cantidad de moviento en un flujo turbulento por medio de libros artículos relacionados al tema y así de esta de manera ampliar nuestros conocimientos y expandir dicho tema con el resto de la clase.

Objetivos Específicos:

• Indagar sobre la transferencia de  calor y cantidad de moviento en un flujo turbulento.
• Analizar los factores que influyen dentro de los fluidos
• Ampliar nuestros conocimientos

MARCO TEORICO

TRANSFERENCIA DE  CALOR Y CANTIDAD DE MOVIENTO EN UN FLUJO TURBULENTO

La mayor parte de los flujos que se encuentran en la práctica de ingeniería son turbulentos y, como consecuencia, es importante comprender de qué manera la turbulencia afecta el esfuerzo cortante en la superficie y la transferencia de calor. Sin embargo, el flujo turbulento es un mecanismo complejo dominado por fluctuaciones y, a pesar de las grandes cantidades de trabajo realizadas en esta área por los investigadores, la teoría del flujo turbulento permanece esencialmente no desarrollada aún. Por lo tanto, debe encontrarse apoyo en los experimentos y en las relaciones empíricas o semiempíricas desarrolladas para varias situaciones.

El flujo turbulento se caracteriza por fluctuaciones aleatorias y rápidas de regiones arremolinadas del fluido, llamadas remolinos, que se encuentran en toda su extensión. Estas fluctuaciones proporcionan un mecanismo adicional para la transferencia de la cantidad de movimiento y de la energía. En el flujo laminar, las partículas del fluido se desplazan de una manera ordenada a lo largo de trayectorias, y la cantidad de movimiento y la energía se transfieren de uno a otro lado de las líneas de corriente mediante difusión molecular. En el flujo turbulento, los remolinos transportan masa, cantidad de movimiento y energía hacia otras regiones del flujo, con una rapidez mucho mayor que la de la difusión molecular, mejorando esencialmente la transferencia de masa, de cantidad de movimiento y de calor. Como resultado, el flujo turbulento se asocia con valores considerablemente más altos de los coeficientes de fricción, de transferencia de calor  y de transferencia de masa (figura 1).

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FIGURA  1

Incluso cuando el flujo promedio es estacionario, el movimiento de los remolinos en el flujo turbulento causa fluctuaciones significativas en los valores de la velocidad, la temperatura y la presión, y hasta de la densidad (en el flujo compresible).

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FIGURA2

En la figura 2, se muestra la variación de la componente  de la velocidad instantánea con el tiempo, en un lugar especificado, que se puede medir con un anemómetro de hilo caliente o cualquier otro instrumento de medición suficientemente sensible. Se observa que los valores instantáneos de la velocidad fluctúan en torno de un valor promedio, lo cual sugiere que la velocidad se puede expresar como la suma de  y una ,[pic 8][pic 5][pic 6][pic 7]

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=  + [pic 10][pic 11][pic 12]

Éste también es el caso para otras propiedades, como la componente v de la velocidad, en la dirección y, de donde =  + , ,  . El valor promedio de una propiedad en algún lugar se determina al promediarlo sobre un intervalo de tiempo que sea suficientemente grande, de modo que el promedio respecto al tiempo resulta ser una constante. Por lo tanto, el promedio respecto al tiempo de las componentes fluctuantes es cero; por ejemplo, . La magnitud de  suele ser sólo un porcentaje muy pequeño de, pero la alta frecuencia de los remolinos (en el orden de un millar por segundo) los hace muy eficaces para el transporte de la cantidad de movimiento, la energía térmica y la masa. En el flujo turbulento estacionario promediado respecto al tiempo, los valores promedios de las propiedades (indicadas por medio de un guión arriba) son independientes del tiempo.[pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 13][pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18][pic 19]

Las fluctuaciones caóticas de las partículas de fluido desempeñan un papel dominante en la caída de presión, y estos movimientos aleatorios deben considerarse en el análisis junto con la velocidad promedio.

Quizá el primer pensamiento que viene a la mente es determinar el esfuerzo cortante de manera análoga al flujo laminar, a partir de , donde u(r) es el perfil de velocidad promedio para el flujo turbulento. Pero los estudios experimentales muestran que éste no es el caso y que el esfuerzo cortante es mucho más grande debido a las fluctuaciones turbulentas. Por lo tanto, resulta conveniente pensar en el esfuerzo cortante turbulento como formado por dos partes: la componente laminar, que explica la fricción entre las capas en la dirección del flujo (expresada como ), y la componente turbulenta, que explica la fricción entre las partículas fluctuantes del fluido y el resto de volumen de éste (denotada como tturb y que está relacionada con las componentes fluctuantes de la velocidad).[pic 26][pic 27][pic 28][pic 24][pic 25]

Considérese un flujo turbulento en un tubo horizontal y el movimiento arremolinado hacia arriba de las partículas del fluido de una capa de velocidad más baja hacia otra capa de velocidad más alta, a través de un área diferencial,  como resultado de la fluctuación  en la velocidad, como se muestra en la figura 3.[pic 29][pic 30]

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FIGURA 3

El gasto de masa de las partículas de fluido que se elevan a través de es , y su efecto neto sobre la capa que se encuentra arriba de  es una reducción en su velocidad promedio debido a la transferencia de la cantidad de movimiento  a las partículas de flujo de una velocidad promedio menor. Esta transferencia de cantidad de movimiento hace que la velocidad horizontal de las partículas de fluido elevándose se incremente en y , de este modo, que su cantidad de movimiento en la dirección horizontal se incremente a razón de (), lo cual debe ser igual a la disminución en la cantidad de movimiento de la capa superior de fluido. Al notar que la fuerza en una dirección dada es igual a la razón de cambio de la cantidad de movimiento en esa dirección, la fuerza horizontal que actúa sobre un elemento de fluido que esté arriba de , debido al paso de partículas de fluido a través de ésta, es . Por lo tanto, la fuerza cortante por unidad de área, debida al movimiento arremolinado de las partículas de fluido , se puede concebir como el esfuerzo cortante turbulento instantáneo. Entonces, el esfuerzo cortante [pic 41]turbulento se puede expresar como  donde    donde  es el promedio respecto al tiempo del producto de las componentes fluctuantes, u
y , de la velocidad. De manera análoga, si se considera que  representa la energía del fluido y es la temperatura de los remolinos en relación con el valor medio, la razón del transporte de energía térmica por los remolinos turbulentos es . Nótese  aun cuando  y    (de donde )  y los resultados experimentales muestran que suele ser una cantidad negativa. Los términos como  o  se llaman esfuerzos de Reynolds o esfuerzos turbulentos.[pic 56][pic 32][pic 33][pic 34][pic 35][pic 36][pic 37][pic 38][pic 39][pic 40][pic 42][pic 43][pic 44][pic 45][pic 46][pic 47][pic 48][pic 49][pic 50][pic 51][pic 52][pic 53][pic 54][pic 55]

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