En dinámica de fluidos , el proceso por el cual un flujo laminar se vuelve turbulento se conoce como transición laminar-turbulenta . El principal parámetro que caracteriza la transición es el número de Reynolds .
La transición a menudo se describe como un proceso que pasa por una serie de etapas. El flujo de transición puede referirse a una transición en cualquier dirección, es decir, flujo de transición laminar-turbulento o flujo de transición turbulento-laminar.
El proceso se aplica a cualquier flujo de fluido y se utiliza con mayor frecuencia en el contexto de capas límite .
En 1883, Osborne Reynolds demostró la transición al flujo turbulento en un experimento clásico en el que examinó el comportamiento del flujo de agua bajo diferentes caudales utilizando un pequeño chorro de agua teñida introducida en el centro del flujo de una tubería más grande.
El tubo más grande era de vidrio, por lo que se podía observar el comportamiento de la capa de flujo teñido, y al final de este tubo había una válvula de control de flujo que se usaba para variar la velocidad del agua dentro del tubo. Cuando la velocidad era baja, la capa teñida permanecía distinta a lo largo de toda la longitud del tubo grande. Cuando se aumentó la velocidad, la capa se rompió en un punto determinado y se difundió por toda la sección transversal del fluido. El punto en el que esto sucedió fue el punto de transición del flujo laminar al turbulento. Reynolds identificó el parámetro rector para la aparición de este efecto, que era una constante adimensional más tarde llamada número de Reynolds .
Reynolds descubrió que la transición se producía entre Re = 2000 y 13000, dependiendo de la suavidad de las condiciones de entrada. Cuando se tiene mucho cuidado, la transición puede ocurrir incluso con Re tan alto como 40000. Por otro lado, Re = 2000 parece ser aproximadamente el valor más bajo obtenido en una entrada irregular. [1]
Las publicaciones de Reynolds sobre dinámica de fluidos comenzaron a principios de la década de 1870. Su modelo teórico final, publicado a mediados de la década de 1890, sigue siendo el marco matemático estándar que se utiliza en la actualidad. Ejemplos de títulos de sus informes más innovadores son:
Una capa límite puede pasar a turbulencia a través de varios caminos. El camino que se realiza físicamente depende de las condiciones iniciales, como la amplitud de la perturbación inicial y la rugosidad de la superficie. El nivel de comprensión de cada fase varía mucho, desde una comprensión casi completa del crecimiento del modo primario hasta una falta casi total de comprensión de los mecanismos de derivación .
La etapa inicial del proceso de transición natural se conoce como fase de Receptividad y consiste en la transformación de las perturbaciones ambientales –tanto acústicas (sonido) como vorticales (turbulencia)– en pequeñas perturbaciones dentro de la capa límite. Los mecanismos por los cuales surgen estas perturbaciones son variados e incluyen sonido de flujo libre y/o turbulencia que interactúan con la curvatura de la superficie, discontinuidades de forma y rugosidad de la superficie. Estas condiciones iniciales son pequeñas perturbaciones, a menudo inmensurables, del flujo de estado básico. A partir de aquí, el crecimiento (o disminución) de estas perturbaciones depende de la naturaleza de la perturbación y de la naturaleza del estado básico. Las perturbaciones acústicas tienden a provocar inestabilidades bidimensionales, como las ondas de Tollmien-Schlichting (ondas TS), mientras que las perturbaciones vórtices tienden a provocar el crecimiento de fenómenos tridimensionales, como la inestabilidad de flujo cruzado. [3]
Numerosos experimentos realizados en las últimas décadas han revelado que la extensión de la región de amplificación y, por tanto, la ubicación del punto de transición en la superficie del cuerpo, depende en gran medida no sólo de la amplitud y/o el espectro de las perturbaciones externas sino también de su naturaleza física. . Algunas de las perturbaciones penetran fácilmente en la capa límite mientras que otras no. En consecuencia, el concepto de transición de la capa límite es complejo y aún carece de una exposición teórica completa.
Si la perturbación inicial generada por el medio ambiente es lo suficientemente pequeña, la siguiente etapa del proceso de transición es la del crecimiento en modo primario. En esta etapa, las perturbaciones iniciales crecen (o decaen) de la manera descrita por la teoría de la estabilidad lineal . [4] Las inestabilidades específicas que se exhiben en la realidad dependen de la geometría del problema y de la naturaleza y amplitud de las perturbaciones iniciales. En un rango de números de Reynolds en una configuración de flujo determinada, los modos más amplificados pueden variar, y a menudo lo hacen.
Hay varios tipos principales de inestabilidad que ocurren comúnmente en las capas límite. En los flujos subsónicos y supersónicos tempranos, las inestabilidades bidimensionales dominantes son las ondas TS. Para flujos en los que se desarrolla una capa límite tridimensional, como un ala en flecha, la inestabilidad del flujo cruzado se vuelve importante. Para los flujos que navegan por la curvatura de la superficie cóncava, los vórtices de Görtler pueden convertirse en la inestabilidad dominante. Cada inestabilidad tiene sus propios orígenes físicos y su propio conjunto de estrategias de control (algunas de las cuales están contraindicadas por otras inestabilidades), lo que aumenta la dificultad de controlar la transición laminar-turbulenta.
El sonido armónico simple como factor precipitante en la transición repentina de flujo laminar a turbulento podría atribuirse a Elizabeth Barrett Browning . Su poema, Aurora Leigh (1856), reveló cómo las notas musicales (el repique de una campana de iglesia en particular) desencadenaron turbulencias vacilantes en las llamas de flujo laminar previamente constantes de las luces de gas de las calles (“...las luces de gas tiemblan en las calles y plazas” : Cabello 2016). Su poema inmediatamente aclamado podría haber alertado a los científicos (por ejemplo, Leconte 1859) sobre la influencia del sonido armónico simple (SH) como causa de turbulencia. Una oleada contemporánea de interés científico en este efecto culminó con Sir John Tyndall (1867) deduciendo que sonidos SH específicos, dirigidos perpendicularmente al flujo, tenían ondas que se mezclaban con ondas SH similares creadas por la fricción a lo largo de los límites de los tubos, amplificándolas y desencadenando la Fenómeno del flujo turbulento de alta resistencia. Su interpretación resurgió más de 100 años después (Hamilton 2015).
Tollmien (1931) y Schlichting (1929) propusieron que la fricción (viscosidad) a lo largo de un límite plano y suave creaba oscilaciones de la capa límite (BL) SH que aumentaban gradualmente en amplitud hasta que estallaba la turbulencia. Aunque los túneles de viento contemporáneos no lograron confirmar la teoría, Schubauer y Skramstad (1943) crearon un túnel de viento refinado que amortiguó las vibraciones y sonidos que podrían afectar los estudios de flujo de placas planas del túnel de viento. Confirmaron el desarrollo de oscilaciones SH de cresta larga BL, las ondas de corte dinámicas de transición a turbulencia. Demostraron que vibraciones de aleteo SH específicas inducidas electromagnéticamente en una cinta ferromagnética BL podrían amplificar ondas de aleteo SH BL (BLF) inducidas por flujo similares, precipitando turbulencias a velocidades de flujo mucho más bajas. Además, algunas otras frecuencias específicas interfirieron con el desarrollo de las ondas SH BLF, preservando el flujo laminar a velocidades de flujo más altas.
Una oscilación de una masa en un fluido es una vibración que crea una onda sonora. Las oscilaciones SH BLF en el fluido de la capa límite a lo largo de una placa plana deben producir un sonido SH que se refleja en el límite perpendicular a las láminas del fluido. En la transición tardía, Schubauer y Skramstad encontraron focos de amplificación de oscilaciones BL, asociados con ráfagas de ruido (“puntos turbulentos”). La amplificación focal del sonido transversal en la transición tardía se asoció con la formación de vórtices BL.
El sonido focal amplificado de puntos turbulentos a lo largo de una placa plana con oscilación de moléculas de alta energía perpendicularmente a través de las láminas, podría causar repentinamente una congelación localizada del deslizamiento laminar. El frenado repentino de puntos de fluido "congelados" transferiría la resistencia a la alta resistencia en el límite, y podría explicar los vórtices BL de la transición tardía. Osborne Reynolds describió puntos turbulentos similares durante la transición del flujo de agua en cilindros (“destellos de turbulencia”, 1883).
Cuando muchos vórtices aleatorios estallan al inicio de la turbulencia, la congelación generalizada del deslizamiento laminar (entrelazamiento laminar) se asocia con ruido y un aumento dramático en la resistencia al flujo. Esto también podría explicar el cambio abrupto del perfil de isovelocidad parabólica del flujo laminar al perfil aplanado del flujo turbulento, a medida que el deslizamiento laminar es reemplazado por un entrelazamiento laminar cuando estalla la turbulencia (Hamilton 2015).
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Los modos primarios en sí mismos no conducen directamente a la ruptura, sino que conducen a la formación de mecanismos de inestabilidad secundarios. A medida que los modos primarios crecen y distorsionan el flujo medio, comienzan a exhibir no linealidades y la teoría lineal ya no se aplica. Lo que complica el asunto es la creciente distorsión del flujo medio, que puede conducir a puntos de inflexión en el perfil de velocidad, una situación que Lord Rayleigh mostró para indicar una inestabilidad absoluta en una capa límite. Estas inestabilidades secundarias conducen rápidamente al colapso. Estas inestabilidades secundarias suelen tener una frecuencia mucho mayor que sus precursores lineales.
