En dinámica de fluidos , el flujo se puede descomponer en flujo primario más flujo secundario , un patrón de flujo relativamente más débil superpuesto al patrón de flujo primario más fuerte . El flujo primario a menudo se elige para que sea una solución exacta a ecuaciones de gobierno simplificadas o aproximadas, como el flujo potencial alrededor de un ala o la corriente geostrófica o el viento en la Tierra en rotación. En ese caso, el flujo secundario resalta de manera útil los efectos de términos complicados del mundo real que se descuidan en esas ecuaciones aproximadas. Por ejemplo, las consecuencias de la viscosidad se destacan por el flujo secundario en la capa límite viscosa , lo que resuelve la paradoja de la hoja de té . Como otro ejemplo, si el flujo primario se toma como una aproximación de flujo equilibrado con fuerza neta igual a cero, entonces la circulación secundaria ayuda a resaltar la aceleración debido al leve desequilibrio de fuerzas. Una suposición de pequeñez sobre el flujo secundario también facilita la linealización .
En ingeniería , el flujo secundario también identifica una ruta de flujo adicional.
Los principios básicos de la física y el efecto Coriolis definen un viento geostrófico aproximado o viento de gradiente , flujos equilibrados que son paralelos a las isobaras . Las mediciones de la velocidad y dirección del viento a alturas muy por encima del nivel del suelo confirman que el viento coincide bastante bien con estas aproximaciones. Sin embargo, más cerca de la superficie de la Tierra, la velocidad del viento es menor que la predicha por el gradiente de presión barométrica, y la dirección del viento es parcialmente transversal a las isobaras en lugar de paralela a ellas. Este flujo de aire a través de las isobaras es un flujo secundario , una diferencia con el flujo primario que es paralelo a las isobaras. La interferencia de elementos de rugosidad de la superficie como el terreno, las olas, los árboles y los edificios provocan un arrastre en el viento e impiden que el aire se acelere a la velocidad necesaria para lograr un flujo equilibrado. Como resultado, la dirección del viento cerca del nivel del suelo es parcialmente paralela a las isobaras en la región, y parcialmente transversal a las isobaras en la dirección de mayor presión a menor presión.
Como resultado de la menor velocidad del viento en la superficie de la Tierra, en una región de baja presión la presión barométrica suele ser significativamente más alta en la superficie de lo que se esperaría, dada la presión barométrica en altitudes medias, debido al principio de Bernoulli . Por lo tanto, el flujo secundario hacia el centro de una región de baja presión también es atraído hacia arriba por la presión significativamente menor en altitudes medias. Este ascenso lento y generalizado del aire en una región de baja presión puede causar nubes y lluvia generalizadas si el aire tiene una humedad relativa suficientemente alta .
En una región de alta presión (un anticiclón ), el flujo secundario incluye un descenso lento y generalizado del aire desde altitudes medias hacia el nivel del suelo y luego hacia afuera a través de las isobaras. Este descenso provoca una reducción de la humedad relativa y explica por qué las regiones de alta presión suelen experimentar cielos sin nubes durante muchos días.
El flujo alrededor de un ciclón tropical suele aproximarse bien como paralelo a las isobaras circulares , como en un vórtice . Un fuerte gradiente de presión atrae el aire hacia el centro del ciclón, una fuerza centrípeta casi equilibrada por las fuerzas de Coriolis y centrífugas en equilibrio del viento de gradiente . El flujo secundario viscoso cerca de la superficie de la Tierra converge hacia el centro del ciclón, ascendiendo en la pared del ojo para satisfacer la continuidad de masa . A medida que el flujo secundario es atraído hacia arriba, el aire se enfría a medida que su presión cae, lo que provoca lluvias extremadamente intensas y libera calor latente que es un impulsor importante del presupuesto energético de la tormenta.
Los tornados y los remolinos de polvo presentan un flujo de vórtice localizado . Su movimiento fluido es similar al de los ciclones tropicales , pero a una escala mucho menor, de modo que el efecto Coriolis no es significativo. El flujo primario es circular alrededor del eje vertical del tornado o remolino de polvo. Como ocurre con todos los flujos de vórtice , la velocidad del flujo es más rápida en el centro del vórtice. De acuerdo con el principio de Bernoulli , donde la velocidad del viento es más rápida, la presión del aire es más baja; y donde la velocidad del viento es más lenta, la presión del aire es más alta. En consecuencia, cerca del centro del tornado o remolino de polvo, la presión del aire es baja. Existe un gradiente de presión hacia el centro del vórtice. Este gradiente, junto con la menor velocidad del aire cerca de la superficie de la Tierra, provoca un flujo secundario hacia el centro del tornado o remolino de polvo, en lugar de seguir un patrón puramente circular.
La menor velocidad del aire en la superficie impide que la presión del aire caiga tanto como se esperaría normalmente de la presión del aire a mayores alturas. Esto es compatible con el principio de Bernoulli. El flujo secundario se dirige hacia el centro del tornado o remolino de polvo y luego es atraído hacia arriba por la presión significativamente menor a varios miles de pies sobre la superficie en el caso de un tornado, o varios cientos de pies en el caso de un remolino de polvo. Los tornados pueden ser muy destructivos y el flujo secundario puede hacer que los escombros sean arrastrados a una ubicación central y transportados a bajas altitudes.
Los remolinos de polvo se pueden ver por el polvo que se levanta a nivel del suelo, que es arrastrado por el flujo secundario y se concentra en un lugar central. La acumulación de polvo acompaña luego al flujo secundario hacia arriba, hacia la región de baja presión intensa que existe fuera de la influencia del suelo.
Cuando el agua en un recipiente o taza circular se mueve en círculo, el agua muestra un flujo de vórtice libre : el agua en el centro del recipiente o taza gira a una velocidad relativamente alta y el agua en el perímetro gira más lentamente. El agua es un poco más profunda en el perímetro y un poco más superficial en el centro, y la superficie del agua no es plana sino que muestra la depresión característica hacia el eje del fluido giratorio. En cualquier elevación dentro del agua, la presión es un poco mayor cerca del perímetro del recipiente o taza donde el agua es un poco más profunda, que cerca del centro. La presión del agua es un poco mayor donde la velocidad del agua es un poco más lenta, y la presión es un poco menor donde la velocidad es más rápida, y esto es consistente con el principio de Bernoulli .
Existe un gradiente de presión desde el perímetro del recipiente o taza hacia el centro. Este gradiente de presión proporciona la fuerza centrípeta necesaria para el movimiento circular de cada porción de agua. El gradiente de presión también explica un flujo secundario de la capa límite en el agua que fluye a través del fondo del recipiente o taza. La velocidad más lenta del agua en la capa límite no puede equilibrar el gradiente de presión. La capa límite se mueve en espiral hacia adentro en dirección al eje de circulación del agua. Al llegar al centro, el flujo secundario asciende hacia la superficie, mezclándose progresivamente con el flujo primario. Cerca de la superficie también puede haber un flujo secundario lento hacia afuera en dirección al perímetro.
El flujo secundario a lo largo del fondo del recipiente o taza se puede ver al espolvorear partículas pesadas como azúcar, arena, arroz u hojas de té en el agua y luego hacer que el agua realice un movimiento circular revolviéndola con una mano o una cuchara. La capa límite se mueve en espiral hacia adentro y barre los sólidos más pesados en una pila ordenada en el centro del recipiente o taza. Con agua circulando en un recipiente o taza, el flujo primario es puramente circular y se podría esperar que arroje partículas pesadas hacia el perímetro. En cambio, se puede ver que las partículas pesadas se congregan en el centro como resultado del flujo secundario a lo largo del fondo. [1]
El agua que fluye por una curva de un río debe seguir líneas de corriente curvas para permanecer dentro de las orillas del río. La superficie del agua es ligeramente más alta cerca de la orilla cóncava que cerca de la orilla convexa. (La "orilla cóncava" tiene el radio mayor. La "orilla convexa" tiene el radio menor). Como resultado, a cualquier altura dentro del río, la presión del agua es ligeramente más alta cerca de la orilla cóncava que cerca de la orilla convexa. Se produce un gradiente de presión desde la orilla cóncava hacia la otra orilla. Las fuerzas centrípetas son necesarias para la trayectoria curva de cada parcela de agua, que es proporcionada por el gradiente de presión. [1]
El flujo primario alrededor de la curva se aproxima a un vórtice libre : la velocidad más rápida donde el radio de curvatura de la corriente en sí es más pequeño y la velocidad más lenta donde el radio es más grande. [2] La mayor presión cerca de la orilla cóncava (exterior) está acompañada por una velocidad del agua más lenta, y la menor presión cerca de la orilla convexa está acompañada por una velocidad del agua más rápida, y todo esto es consistente con el principio de Bernoulli .
En la capa límite a lo largo del lecho del río se produce un flujo secundario . La capa límite no se mueve lo suficientemente rápido como para equilibrar el gradiente de presión y, por lo tanto, su trayectoria es en parte aguas abajo y en parte a través de la corriente desde la orilla cóncava hacia la orilla convexa, impulsada por el gradiente de presión. [3] El flujo secundario asciende entonces hacia la superficie, donde se mezcla con el flujo primario o se mueve lentamente a través de la superficie, de regreso a la orilla cóncava. [4] Este movimiento se denomina flujo helicoidal .
En el fondo del lecho del río, el flujo secundario arrastra arena, limo y grava a través del río y deposita los sólidos cerca de la orilla convexa, de manera similar a las hojas de azúcar o té que son arrastradas hacia el centro de un cuenco o taza como se describió anteriormente. [1] Este proceso puede conducir a la acentuación o creación de islas en forma de D, meandros a través de la creación de orillas cortadas y barras de puntos opuestos que a su vez pueden dar lugar a un lago en forma de meandro . La orilla convexa (interior) de las curvas del río tiende a ser poco profunda y estar formada por arena, limo y grava fina; la orilla cóncava (exterior) tiende a ser empinada y elevada debido a la fuerte erosión.
Se han propuesto diferentes definiciones para el flujo secundario en turbomáquinas, como por ejemplo: "El flujo secundario en términos generales significa flujo en ángulos rectos al flujo primario previsto". [5]
Los flujos secundarios se producen en el flujo principal o primario de los compresores y turbinas de turbomáquinas (véase también el uso no relacionado del término para el flujo en el sistema de aire secundario de un motor de turbina de gas). Siempre están presentes cuando una capa límite de pared se gira en un ángulo mediante una superficie curva. [6] Son una fuente de pérdida de presión total y limitan la eficiencia que se puede lograr para el compresor o la turbina. El modelado del flujo permite dar forma a las superficies de las aspas, álabes y paredes finales para reducir las pérdidas. [7] [8]
Los flujos secundarios ocurren a lo largo del impulsor en un compresor centrífugo, pero son menos marcados en los compresores axiales debido a longitudes de paso más cortas. [9] El giro del flujo es bajo en los compresores axiales, pero las capas límite son gruesas en las paredes del anillo, lo que produce flujos secundarios significativos. [10] El giro del flujo en las paletas y álabes de la turbina es alto y genera un fuerte flujo secundario. [11]
Los flujos secundarios también ocurren en bombas para líquidos e incluyen prerotación de entrada, o vorticidad de admisión, flujo de holgura en la punta (fuga de la punta), separación del flujo cuando se opera fuera de la condición de diseño y vorticidad secundaria. [12]
El siguiente diagrama, de Dixon, [13] muestra el flujo secundario generado por el flujo que gira en un álabe de compresor axial o en el paso del estator. Consideremos un flujo con una velocidad de aproximación c1. El perfil de velocidad no será uniforme debido a la fricción entre la pared del anillo y el fluido. La vorticidad de esta capa límite es normal a la velocidad de aproximación y de magnitud donde z es la distancia a la pared.
Como la vorticidad de cada álabe sobre el otro será de direcciones opuestas, se generará una vorticidad secundaria. Si el ángulo de deflexión, e, entre los álabes guía es pequeño, la magnitud de la vorticidad secundaria se representa como
Este flujo secundario será el efecto integrado de la distribución de la vorticidad secundaria a lo largo de la longitud de la pala.
Los motores de turbina de gas tienen un flujo de aire primario productor de energía que pasa a través del compresor. También tienen un flujo secundario sustancial (25% del flujo central en un Pratt & Whitney PW2000 ) [14] obtenido del flujo primario y que se bombea desde el compresor y se utiliza por el sistema de aire secundario. Al igual que el flujo secundario en la turbomáquina, este flujo secundario también es una pérdida para la capacidad de producción de energía del motor.
El flujo que produce empuje y que pasa a través del ciclo térmico de un motor se denomina flujo de aire primario. El uso exclusivo del flujo de ciclo tuvo una vida relativamente corta, ya que el motor turborreactor. El flujo de aire a través de una hélice o un ventilador de turbomáquina se denomina flujo secundario y no forma parte del ciclo térmico. [15] Este uso del flujo secundario reduce las pérdidas y aumenta la eficiencia general del sistema de propulsión. El flujo secundario puede ser muchas veces mayor que el que pasa por el motor.
Durante la década de 1960, la velocidad de crucero entre Mach 2 y 3 se aplicó a los aviones comerciales y militares. El Concorde , el North American XB-70 y el Lockheed SR-71 utilizaban toberas supersónicas de tipo eyector que tenían un flujo secundario obtenido de la entrada aguas arriba del compresor del motor. El flujo secundario se utilizaba para purgar el compartimento del motor, enfriar la caja del motor, enfriar la tobera eyectora y amortiguar la expansión primaria. El flujo secundario se eyectaba mediante la acción de bombeo del flujo de gas primario a través de la tobera del motor y la presión del ariete en la entrada.
