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 como una solución exacta a ecuaciones rectoras 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 destaca 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 ponen de relieve por el flujo secundario en la capa límite viscosa , resolviendo la paradoja de la hoja de té . Como otro ejemplo, si se toma el flujo primario 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 en gradiente , flujos equilibrados que son paralelos a las isobaras . Las mediciones de la velocidad y dirección del viento en 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 prevista por el gradiente de presión barométrica, y la dirección del viento pasa parcialmente a través de las isobaras en lugar de paralela a ellas. Este flujo de aire a través de las isobaras es un flujo secundario , a diferencia del flujo primario que es paralelo a las isobaras. La interferencia de elementos rugosos de la superficie , como el terreno, las olas, los árboles y los edificios, provocan resistencia al viento e impiden que el aire acelere a la velocidad necesaria para lograr un flujo equilibrado. Como resultado, la dirección del viento cerca del nivel del suelo es en parte paralela a las isobaras de la región y en parte a través de las isobaras en la dirección de mayor presión a menor presión.
Como resultado de la menor velocidad del viento en la superficie terrestre, en una región de baja presión la presión barométrica suele ser significativamente mayor 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 más baja 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 de 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 tener cielos despejados durante muchos días.
El flujo alrededor de un ciclón tropical a menudo se aproxima bien a isobaras circulares , como en un vórtice . Un fuerte gradiente de presión atrae aire hacia el centro del ciclón, una fuerza centrípeta casi equilibrada por Coriolis y fuerzas centrífugas en el gradiente de equilibrio del viento. 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 la masa . A medida que el flujo secundario asciende, el aire se enfría a medida que cae su presión, lo que provoca lluvias extremadamente intensas y libera calor latente , que es un importante impulsor del presupuesto energético de la tormenta.
Los tornados y los remolinos de polvo muestran un flujo de vórtice localizado . Su movimiento fluido es similar al de los ciclones tropicales , pero en una escala mucho menor, por lo 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 todo flujo de vórtice , la velocidad del flujo es más rápida en el núcleo 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 mayor. En consecuencia, cerca del centro del tornado o remolino de polvo la presión del aire es baja. Hay un gradiente de presión hacia el centro del vórtice. Este gradiente, junto con la velocidad más lenta del aire cerca de la superficie terrestre, provoca un flujo secundario hacia el centro del tornado o remolino de polvo, en lugar de seguir un patrón puramente circular.
La velocidad más lenta del aire en la superficie evita que la presión del aire caiga tan bajo como normalmente se esperaría 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 arrastrado hacia arriba por una 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 hacia 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, es arrastrado por el flujo secundario y concentrado en un lugar central. La acumulación de polvo acompaña entonces al flujo secundario hacia arriba hasta la región de intensa baja presión que existe fuera de la influencia del suelo.
Cuando el agua en un recipiente o taza circular se mueve con movimientos circulares, 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 menos profunda en el centro, y la superficie del agua no es plana sino que muestra la depresión característica hacia el eje del fluido que gira. 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 cuando la velocidad del agua es un poco más lenta, y la presión es un poco menor cuando la velocidad es más rápida, y esto es consistente con el principio de Bernoulli .
Hay 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 cuenco o taza. La menor velocidad del agua en la capa límite no puede equilibrar el gradiente de presión. La capa límite gira en espiral hacia el 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 el perímetro.
El flujo secundario a lo largo del fondo del tazón o taza se puede ver rociando partículas pesadas como azúcar, arena, arroz u hojas de té en el agua y luego haciendo que el agua haga movimientos circulares revolviendo con una mano o una cuchara. La capa límite forma una espiral hacia adentro y barre los sólidos más pesados en una pila ordenada en el centro del tazón o taza. Cuando el agua circula 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 suelo. [1]
El agua que fluye a través de un recodo 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. (El "banco cóncavo" tiene el radio mayor. El "banco convexo" tiene el radio más pequeño). Como resultado, en cualquier elevación dentro del río, la presión del agua es ligeramente mayor cerca del banco cóncavo que cerca del banco convexo. 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 porción 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 es menor y la velocidad más lenta donde el radio es mayor. [2] La presión más alta cerca de la orilla cóncava (exterior) va acompañada de una velocidad del agua más lenta, y la presión más baja cerca de la orilla convexa va acompañada de una velocidad del agua más rápida, y todo esto es consistente con el principio de Bernoulli .
Un flujo secundario se produce en la capa límite a lo largo del fondo del lecho del río. La capa límite no se mueve lo suficientemente rápido como para equilibrar el gradiente de presión, por lo que su trayectoria es en parte aguas abajo y en parte a través de la corriente desde el banco cóncavo hacia el banco convexo, impulsado por el gradiente de presión. [3] El flujo secundario luego asciende hacia la superficie donde se mezcla con el flujo primario o se mueve lentamente a través de la superficie, de regreso hacia el banco cóncavo. [4] Este movimiento se llama flujo helicoidal .
En el fondo del lecho del río, el flujo secundario barre arena, limo y grava a través del río y deposita los sólidos cerca de la orilla convexa, de manera similar al azúcar o las hojas de té que se barren hacia el centro de un tazón o taza como se describió anteriormente. [1] Este proceso puede conducir a la acentuación o creación de islas en forma de D, meandros mediante la creación de bancos cortados y barras de puntos opuestos que a su vez pueden resultar en un lago en forma de meandro . La orilla convexa (interior) de las curvas de los ríos 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 "Flujo secundario en términos generales significa flujo en ángulo recto con respecto al flujo primario previsto". [5]
Los flujos secundarios ocurren en la ruta de flujo principal o primaria en turbinas y compresores de turbomáquinas (ver también el uso no relacionado del término para flujo en el sistema de aire secundario de un motor de turbina de gas). Siempre están presentes cuando una superficie curva gira la capa límite de una pared en ángulo. [6] Son una fuente de pérdida total de presión y limitan la eficiencia que se puede lograr para el compresor o la turbina. Modelar el flujo permite moldear las superficies de las palas, las paletas y las 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 las longitudes de paso más cortas. [9] La rotación del flujo es baja en los compresores axiales, pero las capas límite son gruesas en las paredes del anillo, lo que genera flujos secundarios significativos. [10] La rotación del flujo en los álabes y paletas de la turbina es alta y genera un fuerte flujo secundario. [11]
Los flujos secundarios también ocurren en bombas para líquidos e incluyen prerotación de entrada o vorticidad de entrada, flujo de separación de la punta (fuga de la punta), separación del flujo cuando se opera fuera de la condición de diseño y vorticidad secundaria. [12]
A continuación, de Dixon, [13] se muestra el flujo secundario generado por el flujo que gira en un álabe de compresor axial o en un pasaje del estator. Considere el 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
Como la vorticidad de cada pala entre sí será de direcciones opuestas, se generará una vorticidad secundaria. Si el ángulo de deflexión, e, entre las paletas 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 que produce energía y 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 es bombeado desde el compresor y utilizado por el sistema de aire secundario. Al igual que el flujo secundario en las turbomáquinas, este flujo secundario también supone una pérdida para la capacidad de producción de potencia del motor.
El flujo que produce empuje y que pasa a través del ciclo térmico del motor se denomina flujo de aire primario. El uso únicamente del flujo cíclico tuvo una duración relativamente corta, ya que el motor turborreactor. El flujo de aire a través de una hélice o un ventilador de turbomáquina se llama flujo secundario y no forma parte del ciclo térmico. [15] Este uso de flujo secundario reduce las pérdidas y aumenta la eficiencia general del sistema de propulsión. El flujo secundario puede ser muchas veces mayor que a través del motor.
Durante la década de 1960, los aviones comerciales y militares buscaban navegar a velocidades entre Mach 2 y 3. Concorde , North American XB-70 y Lockheed SR-71 utilizaron boquillas supersónicas de tipo eyector que tenían un flujo secundario obtenido de la entrada aguas arriba del compresor del motor. El flujo secundario se utilizó para purgar el compartimiento del motor, enfriar la carcasa del motor, enfriar la boquilla eyectora y amortiguar la expansión primaria. El flujo secundario fue expulsado por la acción de bombeo del flujo de gas primario a través de la boquilla del motor y la presión del ariete en la entrada.
