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En dinámica de fluidos , la separación de flujo o separación de capas límite es el desprendimiento de una capa límite de una superficie en una estela . [1]
Existe una capa límite siempre que hay un movimiento relativo entre un fluido y una superficie sólida con fuerzas viscosas presentes en la capa de fluido cercana a la superficie. El flujo puede ser externo, alrededor de un cuerpo, o interno, en un pasaje cerrado. Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas . Se puede realizar una evaluación razonable de si la capa límite será laminar o turbulenta calculando el número de Reynolds de las condiciones de flujo local.
La separación se produce en un flujo que se ralentiza, al aumentar la presión, después de pasar por la parte más gruesa de un cuerpo aerodinámico o de pasar por un pasaje que se ensancha, por ejemplo.
Fluir contra una presión creciente se conoce como fluir en un gradiente de presión adverso . La capa límite se separa cuando ha viajado lo suficiente en un gradiente de presión adverso como para que la velocidad de la capa límite con respecto a la superficie se haya detenido y haya invertido la dirección. [2] [3] El flujo se desprende de la superficie y, en cambio, toma la forma de remolinos y vórtices . El fluido ejerce una presión constante sobre la superficie una vez que se ha separado en lugar de una presión que aumenta continuamente si todavía está adherido. [4] En aerodinámica , la separación del flujo da como resultado una elevación reducida y un aumento de la resistencia a la presión , causado por el diferencial de presión entre las superficies delantera y trasera del objeto. Provoca golpes en las estructuras de los aviones y en las superficies de control. En los conductos internos la separación provoca calados y vibraciones en los álabes de la maquinaria y mayores pérdidas (menor eficiencia) en las entradas y compresores. Se han invertido muchos esfuerzos e investigaciones en el diseño de contornos de superficie aerodinámicos e hidrodinámicos y en características añadidas que retrasan la separación del flujo y lo mantienen unido durante el mayor tiempo posible. Los ejemplos incluyen el pelaje de una pelota de tenis, los hoyuelos de una pelota de golf, los turbuladores de un planeador, que inducen una transición temprana al flujo turbulento; Generadores de vórtices en aviones.
La inversión del flujo es causada principalmente por el gradiente de presión adverso impuesto en la capa límite por el flujo potencial externo . La ecuación del momento en sentido de la corriente dentro de la capa límite se expresa aproximadamente como
donde están las coordenadas corriente y normal. Un gradiente de presión adverso es cuando , que luego se puede ver que hace que la velocidad disminuya y posiblemente llegue a cero si el gradiente de presión adverso es lo suficientemente fuerte. [5]
La tendencia de una capa límite a separarse depende principalmente de la distribución del gradiente de velocidad del borde adverso o negativo a lo largo de la superficie, que a su vez está directamente relacionado con la presión y su gradiente mediante la forma diferencial de la relación de Bernoulli , que es la misma. como la ecuación de impulso para el flujo no viscoso exterior.
Pero las magnitudes generales requeridas para la separación son mucho mayores para el flujo turbulento que para el flujo laminar , siendo el primero capaz de tolerar una desaceleración del flujo casi un orden de magnitud mayor. Una influencia secundaria es el número de Reynolds . Para una distribución adversa dada , la resistencia a la separación de una capa límite turbulenta aumenta ligeramente al aumentar el número de Reynolds. Por el contrario, la resistencia a la separación de una capa límite laminar es independiente del número de Reynolds, un hecho algo contradictorio.
La separación de la capa límite puede ocurrir para flujos internos. Puede deberse a causas tales como un conducto de tubería que se expande rápidamente. La separación se produce debido a un gradiente de presión adverso que se encuentra a medida que el flujo se expande, lo que provoca una región extendida de flujo separado. La parte del flujo que separa el flujo recirculante y el flujo a través de la región central del conducto se llama línea de corriente divisoria. [6] El punto donde la línea de corriente divisoria se une nuevamente a la pared se llama punto de reinserción. A medida que el flujo avanza aguas abajo, eventualmente alcanza un estado de equilibrio y no tiene flujo inverso.
Cuando la capa límite se separa, sus remanentes forman una capa de corte [7] y la presencia de una región de flujo separada entre la capa de corte y la superficie modifica el flujo potencial exterior y el campo de presión. En el caso de los perfiles aerodinámicos, la modificación del campo de presión da como resultado un aumento en la resistencia a la presión y, si es lo suficientemente severa, también resultará en pérdida de sustentación y pérdida de sustentación, todo lo cual es indeseable. Para flujos internos, la separación del flujo produce un aumento en las pérdidas de flujo y fenómenos de tipo calado como la sobretensión del compresor , ambos fenómenos indeseables. [8]
Otro efecto de la separación de la capa límite son los vórtices regulares que se desprenden, conocidos como calle de vórtices de Kármán . Los vórtices se desprenden de la superficie del acantilado aguas abajo de una estructura a una frecuencia que depende de la velocidad del flujo. La formación de vórtices produce una fuerza alterna que puede provocar vibraciones en la estructura. Si la frecuencia de desprendimiento coincide con una frecuencia de resonancia de la estructura, puede causar falla estructural. Estas vibraciones podrían establecerse y reflejarse a diferentes frecuencias según su origen en cuerpos sólidos o fluidos adyacentes y podrían amortiguar o amplificar la resonancia.
