La transición de flujo laminar a turbulento

La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido, entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años de 1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido.

Esta razón se llama número de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como Re=(Fuerzas Inerciales)/(Fuerzas viscosas)=(V∙D)/v=ρVD/μ

Donde V= velocidad de flujo promedio (m/s), D = longitud característica de la geometría (diámetro en este caso, en m), y v=µ/ρ= viscosidad cinemática del fluido (m2/s). Note que el número de Reynolds es una cantidad adimensional. Además, la viscosidad cinemática tiene la unidad m2/s y se puede ver como difusividad viscosa o difusividad de cantidad de movimiento.

A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas no pueden evitar las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. Sin embargo, a números de Reynolds pequeños o moderados, las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido “en línea”. Por lo tanto el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo.

El número de Reynolds en donde el flujo se vuelve turbulento se llama número de Reynolds crítico, Recr. El valor del número de Reynolds crítico es diferente para geometrías y condiciones de flujo distintas. Para flujo interno en una tubería circular, el valor generalmente aceptado del número de Reynolds crítico es Recr =2 300.

Es deseable tener valores precisos de números de Reynolds para flujos laminar, transicional y turbulento, pero éste no es el caso en la práctica. Es evidente que la transición de flujo laminar a turbulento también depende del grado de perturbación del flujo por la rugosidad de la superficie, las vibraciones de la tubería y las fluctuaciones en el flujo. En la mayoría de las condiciones prácticas, el flujo en una tubería circular es laminar para Re ≤ 2 300, turbulento para Re ≥ 4 000, y transicional entre ellos. Es decir

Re ≤ 4 000 flujo turbulento

2 300 ≤ Re ≤ 4 000 flujo transicional

Re ≥ 2 300 flujo laminar

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