Fuerza de resistencia al movimiento y transferencia de calor en
el flujo externo
Es importante el desarrollo de una buena comprensión del
flujo externo y de la convección forzada externa en el diseño mecánico y
térmico de muchos sistemas de ingeniería, como aviones, automóviles, edificios,
entre otros
Los campos de flujo y las configuraciones geométricas
para la mayor parte de los problemas de flujo externo son demasiado complicados
para ser resueltos analíticamente y, por lo tanto, se tiene que confiar en las
correlaciones basadas en datos experimentales.
La velocidad del fluido en relación con un cuerpo sólido
sumergido, suficientemente lejos de éste (fuera de la capa límite) se llama
velocidad del flujo libre. Suele tomarse como igual a la velocidad corriente
arriba, V, también llamada velocidad de aproximación, la cual es la velocidad
del fluido que se aproxima, lejos y adelante del cuerpo. La velocidad del fluido va desde cero en la
superficie (la condición de no deslizamiento) hasta el valor del flujo libre,
lejos de esa superficie, y el subíndice “infinito” sirve como un recordatorio
de que se trata del valor a una distancia, donde no se siente la presencia del
cuerpo.
Resistencia
al movimiento debida a la fricción y la presión
La fuerza en la dirección del flujo que ejerce un fluido
cuando se desplaza sobre un cuerpo se llama arrastre
Un fluido en reposo sólo ejerce fuerzas de presión perpendiculares
a la superficie de un cuerpo sumergido en él. Sin embargo, un fluido en
movimiento también ejerce fuerzas cortantes tangenciales a la superficie debido
a la condición de no deslizamiento causada por los efectos viscosos. En
general, estas dos fuerzas tienen componentes en la dirección del flujo y, de
este modo, la fuerza de resistencia al movimiento se debe a los efectos
combinados de la presión y de las fuerzas cortantes sobre la pared en la
dirección del flujo.
En el caso especial de una placa plana delgada, alineada
paralelamente a la dirección del flujo, la fuerza de resistencia al movimiento
depende sólo de la fuerza cortante en la pared y es independiente de la
presión. Sin embargo, cuando la placa plana se coloca perpendicularmente a la
dirección del flujo, la fuerza de resistencia depende sólo de la presión y es
independiente de la fuerza cortante, ya que el esfuerzo cortante en este caso
actúa en la dirección normal al flujo.
La fuerza de resistencia al movimiento FD*
depende de la densidad ʆ del fluido, la velocidad corriente arriba, V, y del tamaño,
forma y orientación del cuerpo, entre otras cosas. Las características de
resistencia al movimiento de un cuerpo se representan por el coeficiente de
resistencia al movimiento, o de arrastre, adimensional CD definido
como
El coeficiente de resistencia al movimiento es
principalmente función de la forma del cuerpo, pero también puede depender del
número de Reynolds y de la aspereza de la superficie.
La parte de la fuerza de resistencia que se debe
directamente a la fuerza cortante en la pared τw se llama
resistencia al movimiento, o arrastre, por la fricción superficial (o sólo resistencia
al movimiento por la fricción), ya que es causada por efectos de fricción, y
aquella que se debe directamente a la presión P se llama resistencia al
movimiento, o arrastre, por la presión (también llamada resistencia al
movimiento por la forma, debido a su fuerte dependencia de la forma del cuerpo)
La resistencia por la fricción depende fuertemente de la
viscosidad, y un fluido “idealizado” con viscosidad cero produciría resistencia
cero por la fricción, dado que el esfuerzo cortante sería cero.
A bajos números de Reynolds, la mayor parte de la
resistencia al movimiento se debe a la resistencia por la fricción. En el flujo
laminar el coeficiente de resistencia por la fricción es independiente de la
aspereza superficial, pero en el flujo turbulento es fuerte función de esa
aspereza, debido a las irregularidades de la superficie que penetran la capa
límite más profundamente.
FLUJO PARALELO
SOBRE PLACAS PLANAS
Considere el flujo paralelo de un fluido sobre una placa
plana de longitud L en la dirección del flujo, como se muestra en la figura
El fluido se aproxima a la placa en la dirección x con
una velocidad uniforme V, y temperatura T∞. El flujo en la capa límite de velocidad se inicia
como laminar, pero si la placa es suficientemente larga, el flujo se volverá
turbulento a una distancia xcr
a partir del borde de ataque, donde el número de Reynolds alcanza su
valor crítico para la transición.
Para un flujo sobre una placa plana, la transición del
flujo de laminar a turbulento empieza alrededor de Re ≈ 1 x105, pero
no se vuelve por completo turbulento antes de que el número de Reynolds alcance
valores mucho más elevados, comúnmente alrededor de 3 x 106.
Caída de Presión
Para determinar la caída de presión dP va ase igual a
Densidad
del flujo másico se la conoce con la letra G y es igual a
Flujo
no isotérmico en el interior de cañerías
Correlación Experimental
Para flujo laminal se a
va a utilizar la correlación experimental SIEDER y TATE
Para velocidades de
flujos menores, los valores que se obtienen para h son demasiados bajos Qw se
determina con el valor de Tw.
Para flujos turbulentos
> 10000
Nota : el coeficiente h
es independiente de la relación longitud
diámetro para régimen de transición el flujo puede ser inestable y por
lo tanto no puede predecirse el valor del numero de Un
Importante: no diseñar
en esta zona debido a la gran incertidumbre de los resultados:
Numero de Stanton
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