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Subcapa laminar. Comportamiento hidrodinámico de tuberías. Volver al contenido principal

Tabla de contenidos

  1. Índice
  2. Pérdida de carga por rozamiento en tuberías
    1. Ecuación general de Darcy-Weisbach
    2. Rugosidad absoluta y rugosidad relativa.
    3. Velocidad de fricción y Nº de Reynolds de la rugosidad.
    4. Coeficiente de fricción. Teoría de la capa límite
    5. Factor de fricción en régimen laminar.
    6. Subcapa laminar. Comportamiento hidrodinámico de tuberías.
    7. Experiencias de Nikuradse. Valor del coeficiente de fricción según el régimen de funcionamiento.
    8. Diagrama de Moody
    9. Variaciones con el uso de la rugosidad absoluta. Envejecimiento de tuberías.
    10. Fórmulas empíricas para el cálculo de tuberías
    11. Fórmulas para el régimen turbulento liso.
    12. Fórmulas para el régimen turbulento en la zona de transición.
    13. Fórmulas para el régimen turbulento rugoso.
    14. Problemas tipo de flujo en tuberías
    15. Pérdidas de carga localizadas
    16. Ecuación fundamental de pérdidas localizadas
    17. Coeficiente K de la ecuación fundamental de pérdidas localizadas
    18. Pérdidas localizadas en un ensanchamiento brusco de sección
    19. Pérdidas localizadas en un ensanchamiento gradual de sección
    20. Pérdidas localizadas en un estrechamiento brusco de sección
    21. Pérdidas localizadas en un estrechamiento gradual de sección (tobera)
    22. Otras pérdidas localizadas de interés
    23. Método de longitud de tubería equivalente
    24. Ecuación general de pérdida de carga total en tuberías. Coeficiente total de pérdidas de carga.
    25. Consideraciones prácticas para evaluar las pérdidas de carga localizadas.
    26. Cálculo de tuberías
    27. Velocidades recomendables para el transporte
    28. Diseño económico de tuberías. Concepto de diámetro óptimo.
    29. Ábacos, diagramas y tablas para la determinación de pérdidas de carga en tuberías.
    30. Funcionamiento de una tubería por gravedad.
    31. Funcionamiento de una tubería en impulsión.
    32. Timbraje de tuberías
    33. Consideraciones sobre las depresiones.
    34. Vaciado y limpieza de tuberías.
    35. Influencia de las bolsas de aire en el funcionamiento correcto de las instalaciones de gravedad e impulsión.
    36. Tuberías con distribución uniforme y discreta de caudales
    37. Coeficiente de Christiansen
    38. Presiones en el origen del ramal portaemisores
    39. Asociación de tuberías.
    40. Tuberías en serie
    41. Tuberías en paralelo

Subcapa laminar. Comportamiento hidrodinámico de tuberías.

Para el régimen turbulento, el estudio del coeficiente de fricción es más complicado. Fue iniciado por el investigador alemán Ludwig Prandtl (1875-1953), quien expuso en 1904 su teoría de la capa límite, teoría que revolucionó la aeronáutica.

Si un cuerpo se moviera en el vacío o en el seno de un fluido no viscoso (μ = 0), la resistencia sería nula, por lo que el desplazamiento del cuerpo no consumiría energía. Al ser el agua y el aire fluidos poco viscosos, puede parecer que ofrecerán poca resistencia al cuerpo (por ejemplo, un avión o un submarino), pero no es así: la resistencia es grande.

Prandtl descubrió que existe una capa próxima al contorno, a veces muy delgada, donde tiene lugar todo el gradiente de velocidades, ya que la velocidad debe reducirse desde su valor inicial hasta anularse en la pared. Fuera de esta capa, el líquido se comporta como no viscoso.

En definitiva, la teoría de Prandtl postula que el estudio del movimiento de un líquido de pequeña viscosidad como el agua, podría asimilarse al de un líquido perfecto salvo en las proximidades de las paredes del conducto, en la cual se concentran los fenómenos de rozamiento y turbulencias y que denominó capa límite.

Por lo tanto, puesto que , aunque la viscosidad (μ) sea pequeña, el término , que representa el gradiente de velocidades, es muy grande, por lo que también lo será el esfuerzo cortante (*) en la pared.

Se comprueba experimentalmente que, en contacto con las paredes de la tubería, siempre persiste una delgada capa en que la capa límite es laminar, denominada subcapa laminar o capa viscosa, ya que al ser nula la velocidad del fluido en contacto con las paredes, el Re también debe disminuir hasta el valor cero. Por tanto, al ir separándonos de la pared el régimen es laminar hasta que Re aumenta lo suficiente como para que el régimen sea turbulento.

El conocimiento de la subcapa laminar es esencial para establecer el valor del coeficiente de fricción f en régimen turbulento.

En definitiva, el flujo turbulento junto a un contorno sólido se puede dividir en tres zonas (figura 3.3). Lejos del contorno, el flujo es ideal, prácticamente sin rozamientos. En las proximidades de la pared se desarrolla una zona (capa límite) sometida a esfuerzos cortantes, donde los fenómenos viscosos son importantes, ya que la velocidad sobre la pared ha de ser forzosamente nula. A pequeñísimas distancias de la pared persiste la subcapa laminar, que es una característica constante del movimiento desarrollado.

Figura 3.3. División de un flujo turbulento junto a un contorno sólido

El espesor de la capa límite es función del Re, y puede medir desde algunas micras a varios centímetros, e incluso metros, según el caso.

1. Régimen laminar: Hemos visto que , independiente de la rugosidad relativa, ya que no se forman turbulencias (figura 3.4).

Figura 3.4. Régimen laminar

2. Régimen turbulento:

a) Flujo hidráulicamente liso (tubería hidráulicamente lisa): La rugosidad (K) queda cubierta por la subcapa laminar (*). La rugosidad, por tanto, no influye en el valor de f puesto que ningún punto de la pared queda afectado por las turbulencias que producirían las rugosidades internas, comportándose la tubería como un material liso(figura 3.5).

Figura 3.5. Flujo hidráulicamente liso

b) Flujo hidráulicamente semirrugoso o zona de transición: El espesor de la subcapa laminar (*) se aproxima al valor medio de rugosidad absoluta (K), de manera que la rugosidad emerge de la subcapa laminar en unos puntos y en otros no, quedando sólo las rugosidades que emergen afectadas por la turbulencia. Es el caso más frecuente, y aquí el coeficiente de fricción depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa (figura 3.6).

Figura 3.6. Flujo hidráulicamente semirrugoso o zona de transición

c) Flujo hidráulicamente rugoso (tubería hidráulicamente rugosa): Si el espesor de la subcapa laminar (*) es menor que la rugosidad absoluta (K), las irregularidades internas de la conducción rebasan la subcapa laminar, produciendo turbulencia completa. Cuanto mayor sea el número de Reynolds, más delgada será la subcapa laminar y más puntos de la pared sobresaldrán de ella. En este caso, las fuerzas de inercia son muy importantes y apenas influyen las fuerzas viscosas, por lo que el factor de fricción sólo depende de la rugosidad relativa y el número de Reynolds no tiene importancia en su determinación (figura 3.7).

Figura 3.7. Flujo hidráulicamente rugoso (tubería hidráulicamente rugosa)

Cuantitativamente:

: Flujo hidráulicamente liso.

: Flujo hidráulicamente semirrugoso o zona de transición.

: Flujo hidráulicamente rugoso.

En la práctica, se utilizan unas condiciones basadas en la proporcionalidad del número de Reynolds de la rugosidad y la relación , ya que son más fáciles de establecer que las anteriores y se refieren a rugosidades absolutas irregulares, que es el caso real de las tuberías comerciales.

Si : Flujo hidráulicamente liso.

Si : Flujo hidráulicamente rugoso.

Si el flujo está comprendido entre los dos valores anteriores, el flujo sería hidráulicamente semirrugoso (zona de transición).

Copyright 2007, Autores y Colaboradores. Cite/attribute Resource. Salas, A. F., Salas, A. F., Urrestarazu, L. P. (2008, August 05). tutorial_08. Retrieved October 21, 2014, from ocwus Web site: http://ocwus.us.es/ingenieria-agroforestal/hidraulica-y-riegos/temario/Tema%202.Conducciones%20forzadas/tutorial_08.htm. Esta obra se publica bajo una licencia Creative Commons License. Creative Commons License