En dinámica de fluidos , la condición de no deslizamiento es una condición de frontera que impone que en un límite sólido, un fluido viscoso alcance una velocidad aparente cero. Esta condición de contorno fue propuesta por primera vez por Osborne Reynolds , quien observó este comportamiento mientras realizaba sus influyentes experimentos de flujo en tuberías. [1] La forma de esta condición de frontera es un ejemplo de una condición de frontera de Dirichlet .
En la mayoría de los flujos de fluidos relevantes para la ingeniería de fluidos, la condición de no deslizamiento generalmente se utiliza en límites sólidos. [2] Esta condición a menudo falla en sistemas que exhiben un comportamiento no newtoniano . Los líquidos en los que esta condición falla incluyen alimentos comunes que contienen un alto contenido de grasa, como mayonesa o queso derretido. [3]
La condición de no deslizamiento es una suposición empírica que ha sido útil en el modelado de muchos experimentos macroscópicos. Fue una de las tres alternativas que fueron objeto de controversia en el siglo XIX, siendo las otras dos la capa estancada (una fina capa de fluido estacionario sobre la que fluye el resto del fluido) y el deslizamiento parcial (una capa relativa finita). velocidad entre sólido y fluido) condiciones de contorno. Sin embargo, a principios del siglo XX se aceptó generalmente que el deslizamiento, si existía, era demasiado pequeño para medirlo. Se consideró que la capa estancada era demasiado delgada y que el deslizamiento parcial tenía un efecto insignificante a escala macroscópica. [4]
Si bien no se derivan de los primeros principios, se han ofrecido dos posibles mecanismos para explicar el comportamiento antideslizante, siendo uno u otro dominante en diferentes condiciones. [5] El primero sostiene que la rugosidad de la superficie es responsable de hacer que el fluido descanse a través de la disipación viscosa más allá de las irregularidades de la superficie. El segundo está relacionado con la atracción de las moléculas de fluido hacia la superficie. Las partículas cercanas a una superficie no se mueven junto con un flujo cuando la adhesión es más fuerte que la cohesión . En la interfaz fluido-sólido, la fuerza de atracción entre las partículas fluidas y las partículas sólidas (fuerzas adhesivas) es mayor que la entre las partículas fluidas (fuerzas cohesivas). Este desequilibrio de fuerzas hace que la velocidad del fluido sea cero adyacente a la superficie sólida, y la velocidad se acerca a la de la corriente a medida que aumenta la distancia desde la superficie.
Cuando un fluido está en reposo, sus moléculas se mueven constantemente con una velocidad aleatoria. Cuando el fluido comienza a fluir, al movimiento aleatorio se le suma una velocidad de flujo promedio, a veces llamada velocidad global. En el límite entre el fluido y una superficie sólida, la atracción entre las moléculas del fluido y los átomos de la superficie es lo suficientemente fuerte como para reducir la velocidad total a cero. En consecuencia, la velocidad aparente del fluido disminuye desde su valor lejos de la pared hasta cero en la pared. [6]
Como la condición de no deslizamiento fue una observación empírica, existen escenarios físicos en los que falla. Para flujos suficientemente enrarecidos , incluidos flujos de gases atmosféricos a gran altitud [7] y para flujos a microescala, la condición de no deslizamiento es inexacta. [8] Para tales ejemplos, este cambio es impulsado por un número de Knudsen creciente , lo que implica una rarefacción creciente y un fracaso gradual de la aproximación del continuo . La expresión de primer orden, que se utiliza a menudo para modelar el deslizamiento de fluidos, se expresa como (también conocida como condición de contorno de deslizamiento de Navier), donde es la coordenada normal a la pared, es el camino libre medio y es una constante conocida como deslizamiento. coeficiente, que es aproximadamente de orden 1. Alternativamente, se puede introducir como longitud de deslizamiento. [9] También se ha observado que algunas superficies altamente hidrofóbicas , como los nanotubos de carbono con radicales agregados, tienen una longitud de deslizamiento distinta de cero pero a escala nanométrica.<ref> Kim Kristiansen; Firma Kjelstrup (2021). "Flujo de partículas a través de un nanoporo hidrofóbico: efecto de la repulsión de largo alcance entre la pared y el fluido sobre los coeficientes de transporte". Física de Fluidos . 33 (10).
Si bien la condición de no deslizamiento se usa casi universalmente en el modelado de flujos viscosos , a veces se descuida en favor de la "condición de no penetración" (donde la velocidad del fluido normal a la pared se establece como la velocidad de la pared en esta dirección, pero la velocidad del fluido paralela a la pared no está restringida) en análisis elementales de flujo no viscoso , donde se desprecia el efecto de las capas límite .
La condición de no deslizamiento plantea un problema en la teoría del flujo viscoso en las líneas de contacto : lugares donde una interfaz entre dos fluidos se encuentra con un límite sólido. En este caso, la condición de contorno de no deslizamiento implica que la posición de la línea de contacto no se mueve, lo que no se observa en la realidad. El análisis de una línea de contacto en movimiento con la condición de no deslizamiento da como resultado tensiones infinitas que no se pueden integrar. Se cree que la velocidad de movimiento de la línea de contacto depende del ángulo que forma la línea de contacto con el límite sólido, pero el mecanismo detrás de esto aún no se comprende completamente.
