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En dinámica de fluidos , la separación del flujo o separación de la capa límite es el desprendimiento de una capa límite de una superficie en una estela . [1]
Existe una capa límite siempre que haya 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 locales.
La separación se produce en un flujo que se desacelera, con presión en aumento, después de pasar por la parte más gruesa de un cuerpo aerodinámico o de pasar por un paso que se ensancha, por ejemplo.
El flujo contra una presión creciente se conoce como flujo en un gradiente de presión adverso . La capa límite se separa cuando ha viajado lo suficientemente lejos en un gradiente de presión adverso que la velocidad de la capa límite en relación con la superficie se ha detenido y ha invertido la dirección. [2] [3] El flujo se desprende de la superficie y, en su lugar, 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 unido. [4] En aerodinámica , la separación del flujo da como resultado una elevación reducida y una mayor resistencia a la presión , causada por la diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera del objeto. Provoca sacudidas en las estructuras de las aeronaves y las superficies de control. En los pasajes internos, la separación provoca estancamiento y vibraciones en las palas de la maquinaria y mayores pérdidas (menor eficiencia) en las entradas y los compresores. Se ha invertido mucho esfuerzo e investigación en el diseño de contornos de superficie aerodinámicos e hidrodinámicos y características añadidas que retrasan la separación del flujo y mantienen el flujo 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, o los generadores de vórtices en los aviones.
La inversión del flujo se debe principalmente al gradiente de presión adverso impuesto sobre la capa límite por el flujo potencial externo . La ecuación de momento en el sentido de la corriente dentro de la capa límite se expresa aproximadamente como
donde son coordenadas de la corriente y normales. Un gradiente de presión adverso es cuando , que luego puede verse que hace que la velocidad disminuya a lo largo 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 de borde adverso o negativo a lo largo de la superficie, que a su vez está directamente relacionado con la presión y su gradiente por la forma diferencial de la relación de Bernoulli , que es la misma que la ecuación de momento para el flujo no viscoso externo.
Pero las magnitudes generales de requeridas para la separación son mucho mayores para el flujo turbulento que para el laminar , siendo el primero capaz de tolerar una desaceleración del flujo casi un orden de magnitud más fuerte. 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 con el aumento del número de Reynolds. Por el contrario, la resistencia a la separación de una capa límite laminar es independiente del número de Reynolds, un hecho un tanto contraintuitivo.
La separación de la capa límite puede ocurrir en el caso de flujos internos. Puede ser resultado de causas 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 que pasa por la región central del conducto se denomina línea de corriente divisoria. [6] El punto donde la línea de corriente divisoria se une nuevamente a la pared se denomina punto de reconexión. A medida que el flujo avanza más aguas abajo, finalmente alcanza un estado de equilibrio y no tiene flujo inverso.
Cuando la capa límite se separa, sus restos forman una capa de cizallamiento [7] y la presencia de una región de flujo separada entre la capa de cizallamiento 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 de la resistencia a la presión y, si es lo suficientemente grave, también dará como resultado pérdida de sustentación y pérdida de sustentación, todos los cuales son indeseables. Para los flujos internos, la separación del flujo produce un aumento de las pérdidas de flujo y fenómenos de tipo pérdida de sustentación, como el aumento repentino del compresor , ambos fenómenos indeseables. [8]
Otro efecto de la separación de la capa límite son los vórtices de desprendimiento regulares, 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. El desprendimiento 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 provocar un fallo estructural. Estas vibraciones podrían establecerse y reflejarse a diferentes frecuencias en función de su origen en cuerpos sólidos o fluidos adyacentes y podrían amortiguar o amplificar la resonancia.
