Mecánica de los Fluidos Visualizaciones de flujo de interés ilustrativo práctico en la comprensión de la materia

Experiencia de Reynolds Flujo Laminar versus Flujo Turbulento Laminar Turbulento

Distinción entre flujo adherido y flujo separado Zonas de flujo separado: estructura caótica con macroturbulencia (baja velocidad media y baja presión

Líneas de corriente observadas como líneas de traza, mediante inyección de humo o de tinta

Líneas de corriente observadas con partículas trazadoras (fotografía instantánea con un cierto lapso de apertura del diafragma)

Perfil aerodinámico: Flujo adherido a bajo ángulo de ataque (izquierda). Flujo separado a gran ángulo (derecha) Eliminación de la separación de flujo por modificación de la geometría

Flujo alrededor de un cilindro circular: Flujo adherido a muy bajo Re (régimen de Stokes) Flujo separado a Re mayores: Observe el diferente patrón del flujo separado tras el cilindro. Vórtices alternados (calle de Von Karman) a Re moderados y altos Vórtices simétricos a Re bajos

Flujo alrededor de un cilindro circular: a Re creciente se observa la formación de estructura de flujo separado en forma de “calle” de torbellinos alternados, denominado de Von Karman

Flujo alrededor de una esfera: a Re creciente se observa la aparición de la separación de flujo. En éste caso no existe patrón de torbellinos alternado.

Estructuras de flujo separado por detrás de una placa plana normal al flujo

Evolución de la separación de flujo en forma de torbellinos, en un movimiento que arranca del reposo Diferentes patrones de separación de flujo alrededor de una casa, de menor a mayor velocidad del viento

Diferentes patrones de separación de flujo alrededor de tres cuerpos de diferentes proporciones

Flujo separado organizado en un par de torbellinos por detrás de un automóvil

Flujo de capa límite Sobre una placa plana (caso de gradiente de presión nulo) En un conducto convergente (caso de gradiente de presión favorable) En un conducto divergente (caso de gradiente de presión adverso). En esta situación se observa la separación de la capa límite cuando el gradiente adverso es excesivo.

Nacimiento de la capa límite laminar sobre una placa plana Estela viscosa aguas debajo de un perfil, consecuencia directa de la existencia de la capa límite sobre el cuerpo

Separación de la capa límite por detrás de un cuerpo Separación de la capa límite sobre una placa plana con gradiente de presión adverso Éste es generado en el flujo de punto de impacto sobre una placa normal a la corriente

Separación de la capa límite laminar sobre un cilindro circular Separación de la capa límite laminar sobre un cilindro circular. se observa la inversión de flujo que caracteriza a la separación Separación en un conducto divergente: se observa la inversión de flujo que caracteriza a la separación

Flujo alrededor de una esfera: Re = 105 separación laminar, zona muy extensa con gran resistencia aerodinámica Re = 3 105 separación turbulenta, región reducida, con menor resistencia aerodinámica

Flujo alrededor de una esfera: Re ~ 2 105 Separación de capa límite laminar: zona muy extensa con gran resistencia aerodinámica Separación de capa límite turbulenta: transición forzada por casquete rugoso en la zona delantera del cuerpo. Zona separada reducida, con menor resistencia aerodinámica

Estelas de flujo separado: caso de estructura en forma de torbellinos o vórtices alternados (denominada Calle de Vórtices de Von Karman) Estela de flujo separado: caso de estructura en forma de torbellinos o vórtices simétricos

Flujo alrededor de una placa plana con ángulo de ataque: sin y con succión de capa límite en la cara superior Sin succión de capa límite Con succión de capa límite

Flujo en un conducto divergente plano: sin y con succión de capa límite en ambas caras Sin succión de capa límite Con succión de capa límite

Visualización del movimiento fluido Visualización del movimiento fluido. Observe la deformación angular del fluido.

Visualización en la naturaleza del flujo asociado a tornados: combinación de un sumidero y un vórtice irrotacional

Separación de flujo con posterior re adherencia: llamadas “burbujas de separación laminar” pues éste fenómeno se produce en una capa límite en éste régimen

“Burbujas de separación laminar” vistas con escurrimiento de tinta superficial

Visualización de flujo interno: Flujo en conductos

Longitud de entrada desde un depósito a una tubería Observe el desarrollo del perfil de velocidades y la tendencia al flujo totalmente desarrollado

Contracción y expansión brusca en un conducto : Observe que en la contracción (figura izquierda) no existe separación de flujo sino una zona de estancamiento (color amarillo), a excepción de una pequeña zona separada de fluido recirculante en la sección menor (color rojo). En cambio, en la expansión (figura derecha) el flujo se separa considerablemente formando torbellinos de fluido recirculante (en rojo).

Difusor (expansión progresiva) : En la figura izquierda, el flujo está prácticamente adherido en su totalidad, exceptuando una pequeña burbuja de separación (en amarillo) : esto corresponde a un caudal bajo. En la figura derecha, el flujo está completamente separado (rojo) : corresponde a un caudal alto.

Codo de 90º : Observe el peor caso (inferior izquierda): el flujo está completamente separado en dos zonas extensas. Con un codo redondeado (superior izquierda) la situación mejora considerablemente : existe sin embargo una pequeña zona de flujo separado. La separación de flujo se elimina en ambas geometrías con álabes o perfiles directrices que encauzan el flujo eliminando la separación (figuras de la derecha).

Entrada desde un depósito Entrada recta: El flujo se separa formando la denominada "vena contracta", que reduce la sección efectiva. Entrada redondeada: El caso óptimo, sin separación de flujo, pero complicado constructivamente. Entrada al sesgo: Indeseable; la separación de flujo es muy grande. Boca de Borda: Similar a la entrada recta pero de muy fácil construcción Boca de Borda con entrada acampanada: se ha eliminado la separación.

Descarga de un orificio: Orificio en pared gruesa con entrada redondeada: el flujo se encauza de manera suave. Orificio en pared delgada: observe el fenómeno de la contracción de la vena fluida

Visualizaciones de Cavitación

Formación de cavidad de vapor de agua en zonas de baja presión (zonas de alta velocidad)

Formación de cavidad de vapor de agua en zonas de baja presión (zonas de alta velocidad. Caso de extradós de perfiles sustentadores

Efectos destructivos de la cavitación: El daño se produce por acción de fatiga en las zonas dónde las cavidades “inplotan” y vuelven a fase líquida. El daño se produce por la acción mecánica de fuertes ondas de presión a lo largo de un tiempo prolongado