flujo laminar

El flujo laminar ( / ˈ l æ m ɪ n ər / ) es la propiedad de las partículas de fluido en dinámica de fluidos de seguir trayectorias suaves en capas, con cada capa moviéndose suavemente más allá de las capas adyacentes con poca o ninguna mezcla. ^{[ 1 ]} A bajas velocidades, el fluido tiende a fluir sin mezcla lateral, y las capas adyacentes se deslizan suavemente unas sobre otras. No hay corrientes cruzadas perpendiculares a la dirección del flujo, ni vórtices o remolinos de fluidos. ^{[ 2 ]} En el flujo laminar, el movimiento de las partículas del fluido es muy ordenado con partículas cercanas a una superficie sólida moviéndose en líneas rectas paralelas a esa superficie. ^{[ 3 ]} El flujo laminar es un régimen de flujo caracterizado por una alta difusión de momento y una baja convección de momento .

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado como una tubería o entre dos placas planas, pueden ocurrir dos tipos de flujo dependiendo de la velocidad y la viscosidad del fluido: flujo laminar o flujo turbulento . El flujo laminar ocurre a velocidades más bajas, por debajo de un umbral en el que el flujo se vuelve turbulento. La velocidad umbral está determinada por un parámetro adimensional que caracteriza el flujo llamado número de Reynolds , que también depende de la viscosidad y la densidad del fluido y las dimensiones del canal. El flujo turbulento es un régimen de flujo menos ordenado que se caracteriza por remolinos o pequeños paquetes de partículas de fluido, que dan como resultado una mezcla lateral. ^{[ 2 ]} En términos no científicos, el flujo laminar es suave , mientras que el flujo turbulento es rugoso .

El tipo de flujo que se produce en un fluido dentro de un canal es crucial en los problemas de dinámica de fluidos y, por consiguiente, afecta la transferencia de calor y masa en los sistemas de fluidos. El número de Reynolds, adimensional , es un parámetro importante en las ecuaciones que describen si las condiciones de flujo completamente desarrolladas dan lugar a un flujo laminar o turbulento. El número de Reynolds es la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza cortante del fluido: la velocidad del fluido en relación con su viscosidad , independientemente de la escala del sistema. El flujo laminar generalmente se produce cuando el fluido se mueve lentamente o es muy viscoso. A medida que aumenta el número de Reynolds, por ejemplo, al incrementar el caudal del fluido, el flujo transita de laminar a turbulento en un rango específico de números de Reynolds, rango que depende de pequeños niveles de perturbación en el fluido o imperfecciones en el sistema de flujo. Si el número de Reynolds es muy pequeño, mucho menor que 1, entonces el fluido exhibirá un flujo de Stokes , o flujo lento, donde las fuerzas viscosas del fluido dominan las fuerzas de inercia.

El cálculo específico del número de Reynolds y los valores donde se produce el flujo laminar dependerán de la geometría del sistema de flujo y del patrón de flujo. El ejemplo común es el flujo a través de una tubería , donde el número de Reynolds se define como

${\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho uD_{\text{H}}}{\mu }}={\frac {uD_{\text{H}}}{\nu }}={\frac {QD_{\text{H}}}{\nu A}},}$

dónde:

D _H es el diámetro hidráulico de la tubería(m);

Q es el caudal volumétrico (m³ ^/ s);

A es el área de la sección transversal de la tubería (m² ⁾ ;

u es la velocidad media del fluido ( unidades del SI : m/s);

μ es la viscosidad dinámica del fluido (Pa·s = N·s/m² ⁼ kg/(m·s));

ν es la viscosidad cinemática del fluido, ν = ⁠ μ / ρ ⁠ (m ² /s);

ρ es la densidad del fluido (kg/m³ ⁾ .

Para tales sistemas, el flujo laminar ocurre cuando el número de Reynolds está por debajo de un valor crítico de aproximadamente 2040, aunque el rango de transición suele estar entre 1800 y 2100. ^{[ 4 ]}

Para sistemas de fluidos que se producen en superficies externas, como el flujo alrededor de objetos suspendidos en el fluido, se pueden utilizar otras definiciones de números de Reynolds para predecir el tipo de flujo alrededor del objeto. Por ejemplo, el número de Reynolds de partícula Re _p se utilizaría para partículas suspendidas en fluidos en movimiento. Al igual que en el flujo en tuberías, el flujo laminar suele producirse con números de Reynolds bajos, mientras que el flujo turbulento y fenómenos relacionados, como el desprendimiento de vórtices , se producen con números de Reynolds altos.

Una aplicación común del flujo laminar es el flujo suave de un líquido viscoso a través de un tubo o tubería. En ese caso, la velocidad del flujo varía desde cero en las paredes hasta un máximo a lo largo del centro de la sección transversal del recipiente. El perfil de flujo laminar en un tubo se puede calcular dividiendo el flujo en elementos cilíndricos delgados y aplicándoles la fuerza viscosa. ^{[ 5 ]}

Otro ejemplo es el flujo de aire sobre el ala de un avión . La capa límite es una lámina de aire muy delgada que recubre la superficie del ala (y todas las demás superficies del avión). Debido a la viscosidad del aire, esta capa tiende a adherirse al ala. A medida que el ala avanza, la capa límite fluye inicialmente de forma suave sobre la forma aerodinámica del perfil alar . En este caso, el flujo es laminar y la capa límite es una capa laminar. Prandtl aplicó el concepto de capa límite laminar a los perfiles alar en 1904. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Un ejemplo cotidiano es el flujo lento, suave y ópticamente transparente de agua poco profunda sobre una barrera lisa. ^{[ 8 ]}

Cuando el agua sale de un grifo sin aireador con poca fuerza, inicialmente presenta un flujo laminar, pero al acelerarse inmediatamente por la fuerza de la gravedad, el número de Reynolds del flujo aumenta con la velocidad, y el flujo laminar del agua aguas abajo del grifo puede transformarse en flujo turbulento. En consecuencia, la transparencia óptica se reduce o se pierde por completo.

El flujo laminar se utiliza para separar volúmenes de aire o evitar que contaminantes transportados por el aire entren en un área. Las campanas de flujo laminar se utilizan para excluir contaminantes de procesos sensibles en ciencia, electrónica y medicina. Las cortinas de aire se utilizan frecuentemente en entornos comerciales para evitar que el aire caliente o refrigerado pase a través de las puertas. Un reactor de flujo laminar (LFR) es un reactor que utiliza flujo laminar para estudiar reacciones químicas y mecanismos de procesos. Un diseño de flujo laminar para la cría de ratas para el control de enfermedades fue desarrollado por Beall et al. en 1971 y se convirtió en un estándar en todo el mundo ^{[ 9 ]} , incluso en el entonces Bloque del Este . ^{[ 10 ]}

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