Los flujos externos en general pueden ser definidos como aquellos flujos sobre cuerpos inmersos en un fluido no confinado [1]. Bajo tales condiciones, el cuerpo experimenta una fuerza resultante debido a la interacción con el fluido que lo rodea (formación de una capa límite). En algunos casos (por ejemplo cuando un avión se desplaza en el aire), el cuerpo se mueve en un fluido que se encuentra estático. En otros casos (por ejemplo, un río caudaloso que se mueve a través de grandes rocas), el cuerpo esta fijo y el fluido circula en torno a él. Para motivos de estudio, el sistema de coordenadas se puede fijar en el cuerpo y tratar la situación como un fluido que circula en torno a un cuerpo estacionario con una velocidad de referencia , (la cual a menudo es tomada como la velocidad del fluido en la parte externa a la capa límite, conocida como velocidad de la corriente libre ) [2].
1.1.2 CLASIFICACION DE LOS FLUJOS EXTERNOS
La estructura de un flujo externo y la facilidad con que es posible describirlo y analizarlo a menudo depende de su geometría. En la figura 1.1 se muestran tres categorías generales de cuerpos [2,3]. Éstas comprenden de: a) objetos bidimensionales (modelados como infinitamente largos y de sección transversal constante en tamaño y forma), b) cuerpos axialmente simétricos (formados al girar la sección transversal paralela al eje de simetría a lo largo del mismo eje) y c) cuerpos tridimensionales que pueden o no poseer un eje de simetría.
En realidad, no existen cuerpos completamente bidimensionales, ya que el concepto de longitud infinita es irreal. Sin embargo, muchos objetos son lo suficientemente largos, de modo que los efectos en los bordes finales son pequeños siendo que pueden ser modelados como bidimensionales.
Otra clasificación que encontramos de manera más generalizada en los diferentes textos, puede ser obtenida al considerar las geometrías de los cuerpos según éstos sean aerodinámicos o romos (no aerodinámicos) [2, 3, 4]. Los patrones de flujo (principalmente las características de la estela) dependen fuertemente de que tan aerodinámico sea el cuerpo. En general, los cuerpos aerodinámicos (automóviles de carrera modernos, aviones supersónicos, vehículos marinos de alta velocidad, etc.) tienen poco efecto o alteran en poca medida al flujo circundante, en comparación con los cuerpos romos o no aerodinámicos (paracaídas, edificios, ductos, etcétera). El objetivo de las modificaciones aerodinámicas se basa en el hecho de que es más fácil desplazar (consume menos energía) un cuerpo
Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 3 aerodinámico a través de un fluido de cierta viscosidad, que a un cuerpo romo de tamaño semejante a la misma velocidad y en el mismo fluido.
Fig. 1.1. Ejemplos de geometrías 1d, 2d y 3d [2,3].
1.1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS FLUJOS EXTERNOS
Los flujos externos que pasan por objetos engloban una amplia variedad de fenómenos propios de la ingeniería, y que son estudiados por la mecánica de fluidos. Comúnmente los podemos encontrar en dispositivos tales como aviones, cohetes, proyectiles, barcos, automóviles, edificios, torres de enfriamiento, turbinas eólicas, etc.
Resulta claro que el carácter del campo de flujo es función de la forma del objeto, y es de esperarse que los flujos que pasan por formas geométricas relativamente sencillas (por ejemplo, una esfera o un cilindro circular) posean campos de flujos menos complejos o más predecibles que los flujos que pasan por formas geométricas complejas (como un árbol o un avión). Sin embargo, en lo que la mayoría de los autores concuerda es que inclusive los objetos de forma más simple producen flujos más bien complejos.
Para un objeto de forma dada, las características de flujo dependen muy fuertemente de varios factores tales como el tamaño, la orientación, la velocidad, la rugosidad superficial y las propiedades del fluido. Según el análisis dimensional, el carácter del flujo debe depender de los diversos parámetros adimensionales. Para flujos externos comunes, los más importantes de estos parámetros son: el número de Reynolds, , el número de
Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 4 Mach, . (En los números anteriores, es la longitud característica del objeto y es la velocidad del sonido).
Según Fox [1], las características comunes de todo flujo externo pueden ser ilustradas al esquematizar el flujo viscoso altamente inercial sobre un perfil aerodinámico (flujo a un alto Número de Reynolds). En la figura 1.2 se puede apreciar como el fluido que viene a una velocidad de corriente libre se divide en el punto de estancamiento y envuelve al cuerpo, formando una delgada capa límite en la superficie del perfil debido a la condición de no deslizamiento.
Fig. 1.2. Características comunes del flujo externo [1].
Inicialmente, el flujo en la capa límite es laminar, siendo que la transición ocurre después de cierta distancia medida a partir del punto de estancamiento. Fox señala que el punto en el que la transición aparece, depende de las características de la velocidad de corriente libre, la rugosidad superficial y el gradiente de presión. Los puntos de la transición fueron señalados
o u a T de t o de la figu a.
Después de los estallidos transicionales, a una distancia posterior se forma una capa límite turbulenta cuyo espesor es mayor que el de la capa límite laminar. Este aumento en el espesor se ve reflejado en un desplazamiento de las líneas de corriente que se forman sobre la superficie del perfil.
Con respecto a la región posterior, Fox señala que puede haber un punto de desprendimiento o separación del flujo, debido a que la velocidad en esas zonas disminuye conforme la presión en el fluido aumenta. Los puntos de separación son señalados con la
let a “ . Det ás de los pu tos de sepa a ió , Fo e io a ue el fluido de las capas límites converge para formar una estela viscosa la cual puede o no exhibir periodicidad. Otra característica importante a menudo no visible directamente de un flujo externo es la aparición de fuerzas debido a las componentes tanto de presión como viscosas en su superficie. Estas fuerzas se encuentran directamente ligadas a la formación de las capas límites (laminar y turbulenta) y a la forma en que se mezclan en la estela después de separarse de la superficie. Comúnmente, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son
Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada 5 descompuestas en dos únicas fuerzas totales que actúan en el centroide. Estas fuerzas son conocidas como las fuerzas de levantamiento y arrastre.