4: Flujo en Canales
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Este capítulo se centra en dos de los aspectos más importantes del flujo del canal: la resistencia límite al flujo y la estructura de velocidad del flujo. La discusión se construye en torno a dos casos de referencia: flujo uniforme constante en una tubería circular y flujo uniforme estable hacia abajo en un plano inclinado. El flujo en una tubería circular es claramente de gran importancia práctica e ingeniería, y se le da mucho espacio en los libros de texto de dinámica de fluidos. El flujo descendente de un avión es más relevante para los entornos naturales de la superficie terrestre (vienen a la mente las inundaciones de hojas), y sirve como una buena referencia para los caudales de los ríos.
- 4.1: Introducción al Flujo en Canales
- Los flujos en conductos o canales son de interés en la ciencia, la ingeniería y la vida cotidiana. Los flujos en conductos o canales cerrados, como tuberías o conductos de aire, están completamente en contacto con límites rígidos.
- 4.2: Flujo laminar hacia abajo en un plano inclinado
- Aplicamos la segunda ley de Newton al flujo estable y uniforme hacia abajo por un plano inclinado; la estrategia es observar un bloque del flujo, delimitado por planos imaginarios normales al fondo, con ancho de flujo transversal unitario y distancia de flujo unitario. Tal bloque de líquido se dice que es un “cuerpo libre”. Debido a que se supone que el flujo es constante y uniforme, todas las fuerzas en la dirección de la corriente que se ejercen sobre el fluido dentro del cuerpo libre en cualquier momento dado deben sumarse para ser cero.
- 4.3: Flujo Turbulento en Canales - Material Inicial
- Si realizaras experimentos con flujos de tubería y flujos de canal a números de Reynolds muy bajos, antes de la transición a flujo turbulento, encontrarías un hermoso acuerdo entre la teoría y la observación, algo que siempre es satisfactorio tanto para el teórico como para el experimentalista. Pero para los flujos turbulentos, que es la situación en la mayoría de los flujos que son de interés práctico, la historia es diferente.
- 4.4: Esfuerzo de cizallamiento turbulento
- Si el material o propiedad asociada pasivamente con el fluido está en promedio distribuido de manera desigual, si su valor promedio varía en una dirección normal al movimiento medio, entonces la transferencia turbulenta equilibrada de fluido a través de los planos provoca un transporte difusivo o “flujo” de esta propiedad, generalmente referida como un flujo, en la dirección del valor promedio decreciente. Este tipo de transporte se llama difusión turbulenta.
- 4.5: Estructura de Capas Límites Turbulentas
- En la siguiente sección se encuentran algunos de los hechos y observaciones más importantes sobre la estructura de turbulencia de las capas fronterizas turbulentas, con flujo uniforme constante hacia abajo de un plano como caso de referencia, pero las diferencias entre este y otros tipos de flujo de capa límite se encuentran solo en detalles menores y no en importantes efectos.
- 4.6: Resistencia al flujo
- Esta sección toma en cuenta lo que se sabe sobre las fuerzas mutuas ejercidas entre un flujo turbulento y su límite sólido. Ya se ha visto que el flujo de fluido real más allá de un límite sólido ejerce una fuerza sobre ese límite, y el límite debe ejercer una fuerza igual y opuesta sobre el fluido que fluye. Por lo tanto, es inmaterial si piensas en términos de resistencia al flujo o arrastre en el límite.
- 4.7: Perfiles de velocidad
- Ya se ha visto que el perfil de la velocidad del fluido local promedio en el tiempo desde la parte inferior a la superficie en flujo turbulento hacia abajo de un plano es mucho más contundente en la mayor parte de la profundidad de flujo que el perfil parabólico correspondiente para flujo laminar. Este es el lugar para amplificar y cuantificar el tratamiento de los perfiles de velocidad en flujos turbulentos de capa límite.