Flujo turbulento en ingeniería química

El flujo turbulento es un tipo de flujo de fluido que mantiene un movimiento irregular de partículas del fluido. Tiene un comportamiento contrario al flujo laminar, el cual se mueve de forma ordenada, es decir, el flujo turbulento tiende a ser desordenado y caótico.

Flujo turbulento es compun en la naturaleza

El régimen de flujo turbulento es el más común en la naturaleza. Imagen de worldlesstech

Sin embargo, el flujo turbulento es el tipo de flujo de fluido más abundante en la vida cotidiana, y a nivel industrial, es el más común dentro de tuberías. En este artículo, definiremos al flujo turbulento, sus principales características y cómo predecir si el flujo es turbulento.

Tabla de contenidos

¿Qué es el flujo turbulento?

Comparación del flujo laminar y el flujo turbulento. Imagen de youtube

Una de las definiciones más prácticas sobre el flujo turbulento es la siguiente:

Es aquel tipo de flujo que presenta cambios y fluctuaciones a lo largo del tiempo. Además, las partículas de fluido se cruzan en la trayectoria de partículas adyacentes, por lo que se puede decir que el movimiento de las partículas es completamente desordenado, generándose mezcla aleatoria entre dichas partículas.

Teniendo este concepto base claro, podemos decir que el flujo turbulento cumple con lo siguiente:

Es irregular.
Está conformado por remolinos de diferentes tamaños.
Ocurre mezcla de paquetes de fluidos a nivel macroscópico.
Es de naturaleza fluctuante.
Acelera el transporte de momento, calor y masa (produce mezcla).
Posee un perfil de velocidad plano.

La turbulencia se caracteriza principalmente por la recirculación del fluido, la generación de remolinos y la aleatoriedad aparente que presenta el fluido. Existen dos tipos de turbulencia generalmente estudiadas en los fenómenos de transporte:

Turbulencia de pared: Es aquella que se genera por el contacto de corriente libre con límites sólidos por donde fluye el fluido. Por ejemplo, en tuberías, canales, flujo sobre objetos, etc.
Turbulencia libre: Es la que resulta del contacto entre dos regiones de fluidos, moviéndose a velocidades distintas. Por ejemplo, chorros de fluido sobre fluido estancado, separación de la capa límite de la pared que contiene al fluido, etc.

Como comentábamos anteriormente, el flujo turbulento consiste en un conjunto de remolinos de diferentes tamaños que coexisten en la corriente del flujo. Estos remolinos continuamente forman remolinos mucho más grandes, los cuales tienden a romperse en otros mucho más pequeños, y estos remolinos más pequeños, se dividen en remolinos aún más chicos, hasta que desaparecen. Cabe destacar, que el flujo dentro de estos remolinos es laminar.

Un remolino cualquiera posee una cantidad definida de energía mecánica. Esta energía no se disipa apreciablemente cuando los remolinos cambian de tamaño, sin embargo, no está disponible para mantener la presión o vencer la resistencia al flujo. Dicha energía se disipa finalmente en forma de calor, cuando los remolinos más pequeños se destruyen por la acción viscosa.

Conocer el comportamiento del flujo turbulento es vital en la ingeniería, ya que la mayoría del flujo de fluidos a nivel industrial se presenta como turbulento.

Características que debe tener el flujo turbulento

El flujo turbulento es completamente opuesto al flujo laminar, sin embargo, hay ciertas características comunes que se presentan en todos los flujos con turbulencia, entre las cuales tenemos las siguientes:

Los flujos turbulentos presentan velocidades altas, viscosidad baja y dimensiones lineales características bastante mayores a las del flujo laminar.
Presentan Números de Reynolds superiores a 3500, en algunos textos incluso exponen que dicho número debe ser mayor a 4000 para ser considerado turbulento.
El flujo turbulento presenta un movimiento de partículas completamente irregular.
La distribución de velocidad tiende a ser plana en la sección de la tubería, dando como resultado que el fluido fluya a una velocidad dada, cuyo valor cae rápidamente a medida que la partícula de fluido se acerca a la pared de la tubería.
El flujo turbulento posee un fuerte mecanismo tridimensional, que tiende a presentar vórtices.
En este tipo de flujo, la energía cinética se transforma en energía interna, gracias al esfuerzo del corte viscoso.

Predicción del flujo turbulento

COmparación de los perfiles de velocidad de flujo laminar y flujo turbulento

Perfiles de velocidad tanto de flujo laminar como de flujo turbulento. Imagen de monografias

Al igual que para el flujo laminar, el proceso de predecir si un flujo es turbulento se basa en el cálculo del Número de Reynolds, el cual relaciona a la inercia con la viscosidad del fluido. Cabe destacar, que es un parámetro adimensional, el cual se calcula de la siguiente manera para fluidos en tuberías:

Expresión matemática del Número de Reynolds

Donde:

ρ: Densidad del fluido.
V: Velocidad del fluido.
D: Diámetro de la tubería.
μ: Viscosidad del fluido.

Para saber si el régimen de flujo es turbulento, debemos comparar el valor del número de Reynolds, si este es mayor a 3500 (algunas referencias indican 4000), estamos frente a flujo turbulento. Asimismo, el perfil de velocidad tiende a ser plano, sobre todo en las cercanías del centro de la tubería. Hay que recordar que la velocidad disminuye súbitamente cuando las partículas del fluido se encuentran cerca de las paredes de la tubería.

Conclusiones

Para identificar al flujo turbulento, el número de Reynolds debe ser mayor a 3500.
El flujo turbulento es completamente desordenado y caótico, estando este conformado por remolinos.
El flujo turbulento presenta grandes velocidades.
El movimiento promedio de las partículas está en dirección del flujo.
Analizar al flujo turbulento matemáticamente es bastante complejo.
Es el régimen de flujo más común en la vida cotidiana y a nivel industrial.