Dinámica de fluidos: ¿por qué se genera turbulencia?

Answer 1

La teoría, según lo escrito por el propio Reynolds, es que la turbulencia se genera como una inestabilidad sobre el flujo laminar constante, donde el inicio de la inestabilidad está controlado por si el número de Reynolds, Re, del flujo es mayor que un número crítico de Reynolds. Si un flujo tiene Re> 1, entonces las fuerzas de inercia dominan sobre las fuerzas viscosas. Por lo general, los números críticos de Reynolds para el inicio de la turbulencia en los experimentos son miles, pero no se deje engañar pensando que eso significa que los efectos viscosos son insignificantes para los flujos turbulentos. La disipación viscosa es, de hecho, un componente extremadamente importante del inicio de la turbulencia. Además, todavía existen pequeñas capas límite donde los efectos viscosos son importantes en un flujo turbulento completamente desarrollado.

¿Cuál es el número crítico de Reynolds para la turbulencia? A pesar de la regla general de unos pocos miles, resulta que experimentalmente no existe un número crítico único de Reynolds que dicta el inicio de la turbulencia, incluso si estudia un solo aparato. Lo que sucede es que la inestabilidad no está controlada universalmente por un número crítico de Reynolds, sino que el número crítico de Reynolds está controlado por la magnitud de las perturbaciones en el flujo. Al minimizar las perturbaciones de flujo, la tasa de flujo que se puede lograr sin turbulencias se puede aumentar en órdenes de magnitud. Un buen artículo que revisa este tema es Estudios experimentales de transición a la turbulencia en una tubería, de Annual Reviews of Fluid Mechanics, 2011.

Como insinúa en su pregunta, hay dos regímenes experimentales en la transición de la turbulencia laminar a una amplitud de perturbación fija. Para los números de Reynolds que apenas superan el número crítico de Reynolds, se observan intermitentemente estados laminar y turbulento a medida que cambia el caudal. Sin embargo, para un número Reynolds suficientemente grande, solo se observan estados turbulentos. Si bien el régimen de transición es complejo y los detalles de su existencia y propiedades no se comprenden bien, podemos decir algo acerca de por qué físicamente espera una transición de laminar a turbulento.

La razón física de la transición es que el fluido no es un continuo con pocos grados de libertad, sino que está compuesto de átomos con muchos grados de libertad acoplados. A medida que aumentamos la velocidad del fluido, inyectamos energía en esta multitud de grados de libertad, que están acoplados de forma no lineal y también sujetos a fluctuaciones térmicas. Sin embargo, la manera en que inyectamos energía es típicamente altamente direccional (por ejemplo, de izquierda a derecha), por lo tanto, altamente anisotrópica. Las fluctuaciones térmicas y la disipación viscosa proporcionan un acoplamiento para la transferencia de energía entre la dirección de fuerza aplicada y otras direcciones de movimiento. Esto produce una cascada de transferencia de energía cinética que genera remolinos. El proceso cambia la distribución de velocidad de una altamente anisotrópica, a una con fluctuaciones auto-similares o invariantes de escala. Es obligatorio para mí señalarle el famoso poema de Lewis Richardson para describir la estructura de Eddy:

Los grandes remolinos tienen pequeños remolinos que se alimentan de su velocidad,
y pequeños remolinos tienen remolinos menores y así sucesivamente a la viscosidad.

Para obtener más información sobre la imagen de la cascada de energía de la turbulencia y los desarrollos más modernos, consulte http://cnls.lanl.gov/External/ar… para obtener un documento titulado “El problema de la turbulencia: la perspectiva de un experimentalista”.

Answer 2

Otros ya han dado excelentes respuestas. Sin embargo, si desea ver los efectos de turbulencia de una manera más práctica, podría mostrarle algunas simulaciones.

El primero, que se muestra en la imagen a continuación, simula el flujo de aire alrededor de un cilindro. Puede experimentar y reducir la velocidad del aire, por ejemplo, para que eventualmente el flujo vuelva a ser laminar.

Análisis LES de flujo alrededor de un cilindro

Este otro muestra el flujo alrededor de un auto F1 a 215 km / h:

Análisis aerodinámico de un auto de Fórmula Uno F1 Race

Answer 3

¿Por qué se genera turbulencia?
La turbulencia se genera debido al flujo de patrones, donde el flujo se refiere al movimiento continuo del fluido que puede estar en estado líquido o gaseoso.

¿Cuál es la razón por la cual un flujo laminar experimenta repentinamente muchas transiciones y se vuelve turbulento?
En general, el flujo laminar es el flujo rectilíneo uniforme que consiste en el aire que se mueve en capas de línea recta (conocidas como láminas) de izquierda a derecha.
En un flujo laminar, todas las moléculas en el fluido se mueven más o menos suavemente en la misma dirección y a la misma velocidad. Mientras que, en un flujo turbulento, las moléculas en un fluido se mueven en muchas direcciones diferentes y a muchas velocidades diferentes.
El flujo laminar se vuelve turbulento a medida que aumenta la viscosidad del fluido.

Fuentes:
[1] Recurso de la NASA – chapt3
[2] Recurso Nptel – Objectives_template
[3] ZONA DE CONVECCIÓN
[4] Turbulencia
[5] Transición y turbulencia

Answer 4

La turbulencia es un fenómeno caótico, no lineal, de escala múltiple. La transición a la turbulencia puede verse afectada por varias propiedades presentes dentro del flujo. El número de Reynold se puede usar para caracterizar la transición de un flujo de laminar a turbulento. Sin embargo, el número de Reynold depende de muchos factores, tales como:

1. Freestream vibraciones

2. sonido

3. Gradiente de presión en el flujo

4. Si la calefacción / refrigeración de pared está presente

5. Presencia de rotación

6. número de Mach del flujo

7. rugosidad de la pared

La teoría detrás de la turbulencia es la amplificación de las inestabilidades del flujo libre. Tales inestabilidades que no se disipan por la viscosidad dan lugar a turbulencias. Muchas teorías intentan explicar la transición a la turbulencia: relaciones empericales como el método de Michel a la teoría de la estabilidad lineal.

Según una historia apócrifa, a Werner Heisenberg (1901-1976, físico alemán y premio Nobel, cofundador de la mecánica cuántica) se le preguntó qué le pediría a Dios, dada la oportunidad. Su respuesta fue: “Cuando me encuentre con Dios, le haré dos preguntas: ¿por qué la relatividad? ¿Y por qué la turbulencia? Realmente creo que él tendrá una respuesta para la primera”. … …

Answer 5

Para dar un ejemplo práctico de cómo se forman las turbulencias, imagine que está dejando un partido de fútbol dentro de una gran multitud desde una pequeña puerta. Imagina que decides detenerte y luego lo que sucederá. Las personas detrás de ti no tienen a dónde ir, sino que te rodean … así que si todos iban en línea recta, tendrían que doblar su camino a tu alrededor. Esto dará como resultado que otros en los dos lados también tengan que doblarse. Esto ralentiza una sección del flujo. En fluidos sucede lo mismo. Las partículas de fluido no pueden decidir detenerse, por supuesto, pero tienen una cierta energía cinética fija para comenzar. Debido a la viscosidad y la fricción, algunas partículas pierden su energía haciendo que se detengan. Esto hace que la corriente se enrolle alrededor de tal obstáculo. Cuando el tamaño de dicho rizo es grande, recibe un empujón y se mueve como un “todo” por partes más energéticas del flujo. Esto forma lo que se llama un ‘remolino’. Debido a que las paredes son estáticas, la mayoría de las pérdidas ocurren cerca de las paredes y allí donde se generan remolinos turbulentos. El proceso de creación de remolinos mejora cuando la sección transversal del flujo es grande, es decir, más energía en el flujo, o cuando la velocidad y la densidad son grandes por la misma razón, o cuando la viscosidad del fluido es pequeña. Aquí los remolinos formados no se pierden rápidamente debido a la transformación de su energía cinética en calor. Los cuatro factores anteriores forman el número de Reynolds Re = ρ v D / µ = Fuerzas dinámicas / Fuerzas estáticas.

Answer 6

El fluido fluye en forma de láminas delgadas y las partículas se mueven en un camino recto, pero cuando la velocidad aumenta, las partículas de fluido se mueven de manera aleatoria, lo que resulta en una mezcla de partículas. Esto resulta en turbulencia.