Intercambiadores De Calor

6.- CAPA LÍMITE

6.1.- Superficie lisa

Si existe un fluido ideal con escurrimiento permanente y uniforme y flujo laminar e introducimos en su interior una placa fina paralela al flujo (Fig. 6.1) no se producirá alteración alguna y la velocidad sería la misma al ingreso y al egreso.

En la realidad no sucede eso por causa de la viscosidad. Donde el fluido contacta la placa a barlovento, V0 = 0, apareciendo esfuerzos tangenciales (Fig. 6.2) que provocan variedad de velocidad entre las capas.

A una distancia a sotavento, cuando desaparece la influencia de la placa, el diagrama de velocidad vuelve a ser rectangular.

Si se analiza una placa con borde biselado, para evitar fenómenos locales en el extremo, se puede constatar experimentalmente que aparecen tres zonas diferenciadas, la primera con flujo laminar, la segunda de transición y la tercera con flujo turbulento. Si se trazan los diagramas de velocidad en cada tramo y se denomina  a la altura, donde la velocidad en cada sección vuelve a ser constante, se obtiene una línea curva que se llama borde de la capa límite, siendo esta última el espacio comprendido entre la curva y la placa. (Fig. 6.3).

Fig.6.2. Fluido REAL [Ref 4]

Fig. 6.3 [Ref. 4]

En realidad, el límite de la capa en la zona turbulenta no es una línea suave, sino que varía entre ciertos límites (Fig. 6.4) que se puede fijar entre 0,4 y 1,2 .

La presión dentro de la capa límite puede ser considerada constante a lo largo de la placa e igual a la presión externa.

En Fig. 6.5 vemos la superposición de los diagramas de velocidad correspondientes a las capas laminar y turbulenta, donde el gradiente de velocidad es mayor en esta última.

6.1.1.- Capa límite laminar

Las moléculas del fluido están en agitación permanente y penetran en las capas adyacentes.

Cerca de la placa, la velocidad es cero por efecto de la viscosidad que provoca la adherencia del fluido, efectos que se va perdiendo a medida que aumenta z.

La molécula que pasa por una capa más rápida a la más lenta suministra una determinada cantidad de movimiento, que es mayor que la que poseen las moléculas de esta última. Viceversa, la molécula que pasa de una capa lenta a otra más rápida, entrega una cantidad de movimiento que es menor que el que posee las moléculas de esta capa.

Consecuencia: La capa más veloz pierde cantidad de movimiento y la más lenta gana.

Aparece así una fuerza constante que origina la viscosidad molecular.

Las líneas de corriente tienen poca inclinación próxima a la horizontal y el flujo es laminar.

Podemos hallar la distancia x donde finaliza esta capa. Si se considera el N° de Reynolds.

Re = Datos : Re = 4.105 = 0,145 cm2/seg. V = 40 m/seg.

6.1.2.- Capa límite de transición

En determinado momento (a partir de x) el flujo comienza a ser inestable y no comportarse como laminar. La velocidad no es constante en un mismo punto.

6.1.3.- Capa límite turbulenta

En esta zona, ya no solamente hay intercambio de moléculas sino de partículas de fluido que se desplazan caóticamente, entre las cuales existen gradientes de velocidad importantes que provocan remolinos.

Esta capa se extiende indefinidamente y es la que más interesa en el análisis estructural. La velocidad es un valor medio sobre un intervalo corto y no instantánea.

6.1.4.- Subcapa laminar (viscosa)

En la zona turbulenta, existe una capa de muy pequeño espesor (Fig. 6.5) ´ donde el elevado gradiente de velocidad impide la formación de remolinos al incrementarse V y no permitir el intercambio de partículas, por influencia de la viscosidad.

Partiendo de los datos de 4.1.1. el valor de ´ = 0,007 cm

6.2. - Superficie rugosa

Llamamos ks a la altura de la rugosidad sobre la lámina.

Si ks < δ’ la superficie se considera lisa y la rugosidad está dentro de la subcapa viscosa (o laminar).

Si ks > δ’ el flujo actúa sobre la rugosidad y transforma las tensiones tangenciales en presiones normales. La superficie es aerodinámicamente rugosa.

Número de Reynolds rugoso: = velocidad de fricción (6.1)

Si Re < 120, no hay perturbación y ks < δ’. Si 120<Re<600 crece la turbulencia.

Si Re > 600 superficie totalmente rugosa, capa límite turbulenta.

6.2.1.- Superficie terrestre

6.2.1.1.- Longitud de rugosidad (z0).( Traducción de [5].)

a) El parámetro z0, generalmente llamado “longitud de rugosidad”, es el factor determinante en la definición de los perfiles verticales de la velocidad media en vientos fuertes con estabilidad neutra, dentro de la capa límite atmosférica. Este parámetro está directamente ligado a la altura de los obstáculos que forman la rugosidad de la superficie terrestre, siendo una pequeña fracción de esta altura (Vickery, por ejemplo, indica como una aproximación grosera z0 = 1/20 de la altura media de los obstáculos) y constituye una referencia para el grado de rugosidad superficial. Conviene señalar que z0 está muy influenciado por la no Homogeneidad del escurrimiento y de la distribución de los obstáculos. Por ejemplo, en zonas urbanas hay indicaciones de z0 entre 0,20 m y 4 m y también más.

Desde el punto de vista de la ingeniería estructural, el uso de valores bajos de z0 está del lado de la seguridad. Por lo tanto, en caso de duda se recomienda usar valores próximos los límites inferiores, dentro de la gama de valores obtenidos para z0.

b) El parámetro z0 se determina usualmente ajustando el perfil de velocidades medias al perfil teórico, logarítmico, conocido como ley de Prandtl o ley de pared. Exceptuándose una región muy próxima a la superficie terrestre (sin interés práctico),

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