separación de flujo

En dinámica de fluidos , la separación del flujo o separación de la capa límite es el desprendimiento de una capa límite de una superficie hacia una estela . ^{[ 1 ]}

Existe una capa límite siempre que haya movimiento relativo entre un fluido y una superficie sólida. En la capa de fluido cercana a la superficie, se presentan fuerzas de cizallamiento viscosas . Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas . Para determinar si la capa límite será laminar o turbulenta, se puede calcular el número de Reynolds de las condiciones de flujo locales.

La separación se produce en un flujo que disminuye su velocidad tras pasar por la parte más gruesa de un cuerpo aerodinámico o al atravesar un conducto que se ensancha. Donde el flujo disminuye, la presión aumenta.

Fluir contra una presión creciente se conoce como fluir en un gradiente de presión adverso . La capa límite se separa cuando ha viajado lo suficientemente lejos 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 su dirección. ^{[ 2 ] [ 3 ]} El flujo se desprende de la superficie y, en su lugar, toma las formas 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 aún está adherido. ^{[ 4 ]} En aerodinámica , la separación del flujo produce una reducción de la sustentación y un aumento de la resistencia de presión , causados ​​por el diferencial de presión entre las superficies delantera y trasera del objeto. Provoca vibraciones en las estructuras de las aeronaves y en las superficies de control. En los conductos internos, la separación provoca pérdida de sustentación y vibraciones en los álabes de la maquinaria y un aumento de las pérdidas (menor eficiencia) en las entradas y los compresores. Se ha dedicado mucho esfuerzo e investigación al diseño de contornos de superficies aerodinámicas e hidrodinámicas y a la adición de características que retrasan la separación del flujo y mantienen el flujo adherido el mayor tiempo posible. Algunos ejemplos son el pelo 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, y los generadores de vórtices en las aeronaves.

La inversión del flujo se debe principalmente al gradiente de presión adverso impuesto en la capa límite por el flujo potencial externo . La ecuación de momento en la dirección del flujo dentro de la capa límite se expresa aproximadamente como:

${\displaystyle u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}}$

dónde${\displaystyle s,y}$son coordenadas longitudinales y normales. Un gradiente de presión adverso es cuando${\displaystyle dp/ds>0}$, lo que entonces se puede observar que provoca la velocidad${\displaystyle u}$disminuir a lo largo${\displaystyle s}$y posiblemente llegar 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 adverso o negativo en el borde.${\displaystyle du_{o}/ds(s)<0}$a lo largo de la superficie, que a su vez está directamente relacionada con la presión y su gradiente mediante la forma diferencial de la relación de Bernoulli , que es la misma que la ecuación de momento para el flujo externo no viscoso.

${\displaystyle \rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}}$

Pero las magnitudes generales de${\displaystyle du_{o}/ds}$Los requerimientos para la separación son mucho mayores para el flujo turbulento que para el flujo laminar , pudiendo el primero tolerar una desaceleración del flujo casi un orden de magnitud mayor. Una influencia secundaria es el número de Reynolds . Para un flujo adverso dado,${\displaystyle du_{o}/ds}$En la distribución, la resistencia a la separación de una capa límite turbulenta aumenta ligeramente con 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 que puede parecer contraintuitivo.

La separación de la capa límite puede ocurrir en flujos internos. Puede deberse a causas como la rápida expansión de un conducto o tubería. 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 del flujo a través de 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 reenganche. A medida que el flujo avanza aguas abajo, finalmente alcanza un estado de equilibrio y no presenta flujo inverso.

Cuando la capa límite se separa, sus remanentes forman una capa de cizallamiento ^{[ 7 ]} y la presencia de una región de flujo separado entre la capa de cizallamiento y la superficie modifica el flujo potencial externo y el campo de presión. En el caso de los perfiles aerodinámicos, la modificación del campo de presión produce un aumento en la resistencia de presión y, si es suficientemente severa, también provocará una entrada en pérdida y una 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 entrada en pérdida, como la sobretensión del compresor , ambos fenómenos indeseables. ^{[ 8 ]}

Otro efecto de la separación de la capa límite es el desprendimiento regular de vórtices, conocido como calle de vórtices de Kármán . Estos vórtices se desprenden de la superficie inferior de la estructura, cuya frecuencia depende de la velocidad del flujo. El desprendimiento de vórtices genera una fuerza alterna que puede provocar vibraciones en la estructura. Si la frecuencia de desprendimiento coincide con la frecuencia de resonancia de la estructura, puede causar una falla estructural. Estas vibraciones pueden generarse y reflejarse a diferentes frecuencias según su origen en cuerpos sólidos o fluidos adyacentes, y pueden amortiguar o amplificar la resonancia.

• Teoría de las tres barajas
• Aerodinámica
• La paradoja de D'Alembert
• Efecto Magnus

• Anderson, John D. (2004), Introducción al vuelo , McGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3.
• LJ Clancy (1975), Aerodinámica , Pitman Publishing Limited, Londres ISBN 0-273-01120-0.

• Aerospaceweb - Hoyuelos y resistencia aerodinámica de las pelotas de golf
• Aerodinámica en equipamiento deportivo, recreación y maquinaria – Golf – Instructor
• Red Marie Curie sobre avances en herramientas numéricas y analíticas para la predicción de flujos separados. Archivado el 2 de noviembre de 2018 en Wayback Machine.