Número de Reynolds en tuberías a presión y canales abiertos

Flujo laminar y turbulento

El comportamiento de fluido, particularmente con respecto a las pérdidas de energía, depende bastante de si el flujo es laminar o turbulento, por esta razón, se necesita un medio para predecir el tipo de flujo sin tener necesidad de observarlo. En efecto, la observación directa es imposible para fluidos que van por tubos opacos. Se puede mostrar experimentalmente y verificar analíticamente, que el carácter del flujo en un tubo redondo depende de cuatro variables: la densidad del flujo, ρ, la viscosidad del flujo, µ, el diámetro del conducto, D, y la velocidad promedio del flujo, ʋ. Osborne Reynolds fue el primero en demostrar que es posible pronosticar el flujo laminar o turbulento si se conoce la magnitud del número adimensional, al que hoy se le denomina número de Reynolds. En la siguiente ecuación de muestra la definición básica del número de Reynolds. Para aplicaciones prácticas del flujo en tuberías, encontramos que si el número de Reynolds para el flujo es menor que 200, éste será laminar. Si el número de Reynolds es mayor que4000, el flujo será turbulento. En el rango de número de Reynolds entre 2000 y 4000 es imposible predecir qué flujo existe; por lo tanto, se denomina región crítica. Si el flujo se encuentra en esta región, la práctica usual es cambiar la tasa de flujo o diámetro del tubo para hacer que el flujo sea en definitiva laminar o turbulento. El número de Reynolds para el flujo en un canal abierto es En canales abiertos, el flujo laminar ocurre cuando NR‹ 500. La región de transición está en el rango de 500 a 2000. El flujo turbulento ocurre cuando NR› 2000 normalmente. Radio hidráulico RhLa dimensión característica de los canales abiertos es el radio hidráulico, definido como la relación del área transversal neta de una corriente al perímetro mojado de la sección.

 

Flujo laminar y flujo turbulento

Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. Se puede observar este fenómeno cuando se abre un grifo lentamente, hasta que el chorro es uniforme y estable. Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, (no coordinados). Si se abre más el grifo anteriormente mencionado, permitiendo que aumente la velocidad del flujo, se alcanzaría un punto en el que el flujo ya no es uniforme ni regular. El agua del chorro parecerá que se mueve de una manera bastante caótica. La forma de visualizar un flujo laminar es como se ve en la siguiente figura, donde se muestra un fluido trasparente como el agua, que fluye en un tubo de vidrio trasparente. Una partícula o una corriente de otro fluido inyectado en el fluido se desplazan en línea recta y no se

mezclara con el volumen del fluido. El flujo laminar también se presenta en un flujo de canal abierto, como el que se muestra en la figura, en un canal abierto, al flujo laminar se le llama flujo tranquilo, un término bastante descriptivo. Un flujo tranquilo sobre un muro aparece como una lámina uniforme de fluido.

   En contraste con el flujo laminar, el flujo turbulento parece caótico y no uniforme, y existe bastante mezcla del fluido. Una corriente de una tinta que fuera introducida en el flujo turbulento, inmediatamente se dispara en el flujo principal del sistema, como se muestra en la figura.

Numero de Reynolds y Froud en el flujo de canales abiertos

El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.

El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

L parámetro de longitud (m) v parámetro de velocidad (m/s) g aceleración de la gravedad (m/s²)

El flujo se clasifica como:

Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.

Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.