Flujo Turbulento


Los flujos pueden clasificarse de diversas maneras, puesto que una de las más importantes se refiere al nivel de turbulencia presente. Diferentes niveles de turbulencia pueden representar variaciones significativas en los valores de grandezas que suelen ser evaluadas en los equipos industriales (pérdida de carga, intercambio de calor, difusión etc.).

Los regímenes de flujos, definidos de acuerdo con el nivel de turbulencia, son los siguientes:

    • Flujo laminar: es aquel en el que las partículas se desplazan en capas paralelas, o láminas, sin invadir el camino de las otras partículas. En la siguiente figura se representa por la imagen (a).
    • Flujo en transición: es aquel en el que hay algunas fluctuaciones intermitentes del fluido en un flujo laminar, aunque no es suficiente para caracterizar un flujo turbulento. En la siguiente figura se representa por la imagen (b).
    • Flujo turbulento: es aquel en el que hay fluctuaciones en el flujo todo el tiempo y las partículas invaden la trayectoria de las partículas adyacentes, mezclándose y desplazándose de una manera aleatoria. Representado por la imagen (c) en la siguiente figura.
Visualización de la trayectoria de un trazador en el interior de un tubo en diferentes regímenes de flujo. (a) Laminar, (b) Transición, (c) Turbulento (Fuente: ANSYS Inc.).
Visualización de la trayectoria de un trazador en el interior de un tubo en diferentes regímenes de flujo. (a) Laminar, (b) Transición, (c) Turbulento (Fuente: ANSYS, Inc.).

Para identificar el régimen de flujo se utiliza el Número de Reynolds, que es un número adimensional que relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas, de la siguiente forma:

escoamento-turbulento-formula

donde ρ es la masa específica, V es la velocidad, L es una dimensión característica y μ es la viscosidad dinámica.

Cuando las fuerzas de inercia (numerador) son mucho más grandes que las fuerzas viscosas (denominador), el flujo se vuelve turbulento (número de Reynolds alto).

Flujo alrededor de un cilindro (fuente: Puc Rio)
Flujo alrededor de un cilindro (fuente: Puc Rio)

Características de la turbulencia

    • Multiplicidad de escalas: la turbulencia se caracteriza por la presencia de varias escalas, desde las más grandes – que son proporcionales a la geometría – hasta las más pequeñas – que son inversamente proporcionales al número de Reynolds. Se traslada la energía cinética desde las escalas más grandes hasta las más pequeñas.
    • Es un fenómeno continuo: las escalas más pequeñas son mayores que la trayectoria libre media entre las moléculas.
    • Es un fenómeno irregular: no se puede estimar a partir de ecuaciones deterministas.
    • Difusión: la turbulencia causa aumento en la difusión del fluido, es decir, hay un aumento en la tasa de mezcla.
    • Disipación: la turbulencia es altamente disipativa. Si se quita la fuente de energía, la turbulencia deja de existir, rápidamente.
    • Tridimensionalidad: las fluctuaciones turbulentas son tridimensionales.
    • Transiente: la turbulencia es un fenómeno que presenta variaciones en el tiempo.

Análisis del Flujo Turbulento
El flujo turbulento es uno de los fenómenos más críticos de la física moderna y que, aunque exista teoría y modelos que expliquen muchos de estos fenómenos, todavía no hay una sola teoría que proporcione previsibilidad a una serie de situaciones que conlleven un flujo turbulento.

Analizar este fenómeno incluso por medio de experimentos físicos es un gran reto, una vez que para investigarlo, existe la necesidad de incluir sensores. La inclusión de sensores u otras herramientas de observación del flujo puede causar interferencia en el comportamiento del fluido. Investigar el comportamiento de estos fenómenos es importante para prever situaciones que puedan interferir en la eficiencia, condición de operación y funcionamiento de los equipos industriales.

Las herramientas de modelado computacional son grandes aliadas cuando el objetivo es analizar y predecir el comportamiento de flujos de fluidos. Con ellas se puede recrear diversos escenarios en un entorno virtual y realizar diferentes pruebas e incluso predecir el comportamiento de estos flujos. En este sentido, las herramientas de CFD de ANSYS son aliadas poderosas.

Turbulencia en CFD
En CFD (Dinámica de los Fluidos Computacional) hay modelos matemáticos que tratan de representar la presencia de la turbulencia en el flujo.

Es necesario seleccionar de forma adecuada el modelo de turbulencia para garantizar una solución apropiada del flujo. Esta selección es de responsabilidad del usuario de herramientas de CFD, que debe conocer las características del flujo que se evaluará.

Hay tres estrategias numéricas para el modelado de turbulencia:

    • RANS (por sus siglas en inglés, Reynolds Averaged Navier-Stokes): se resuelve el promedio de las variables en el tiempo. Es la estrategia más empleada en CFD. Los modelos k-epsilon, k-omega y Spalart-Allmaras forman parte de esta estrategia.
    • LES (por sus siglas en inglés, Large Eddy Simulation): resuelve la turbulencia en función del tamaño de las escalas turbulentas. Se calculan las grandes escalas y las menores se modelan. La malla debe ser muy refinada y requiere un más esfuerzo computacional que la estrategia RANS. Se suele usar en los casos transientes.
    • DNS (por sus siglas en inglés, Direct Numerical Simulation): la malla se genera con vistas a asegurar que todas las escalas turbulentas se puedan calcular directamente, sin la necesidad del modelado. Esta estrategia implica en mallas con un número muy elevado de elementos, ya que es impracticable para los casos reales.


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