Flujo secundario

Los principios básicos de la física y el efecto Coriolis definen un viento geostrófico aproximado o viento de gradiente , flujos equilibrados paralelos a las isobaras . Las mediciones de velocidad y dirección del viento a alturas considerables sobre el nivel del suelo confirman que el viento se ajusta bastante bien a estas aproximaciones. Sin embargo, cerca de la superficie terrestre, la velocidad del viento es menor que la predicha por el gradiente de presión barométrica , y la dirección del viento es parcialmente transversal a las isobaras en lugar de paralela a ellas. Este flujo de aire transversal a las isobaras es un flujo secundario , a diferencia del flujo primario que es paralelo a las isobaras. La interferencia de elementos de rugosidad superficial como el terreno, las olas, los árboles y los edificios provoca resistencia al viento e impide que el aire acelere hasta la velocidad necesaria para lograr un flujo equilibrado. Como resultado, la dirección del viento cerca del nivel del suelo es parcialmente paralela a las isobaras en la región, y parcialmente transversal a las isobaras en la dirección de mayor presión a menor presión.

Debido a la menor velocidad del viento en la superficie terrestre, en una región de baja presión la presión barométrica suele ser significativamente mayor en la superficie de lo que cabría esperar, considerando la presión barométrica a altitudes medias, según el principio de Bernoulli . Por lo tanto, el flujo secundario hacia el centro de una región de baja presión también es atraído hacia arriba por la presión significativamente menor a altitudes medias. Este ascenso lento y generalizado del aire en una región de baja presión puede provocar nubosidad y lluvia generalizadas si el aire tiene una humedad relativa suficientemente alta .

En una región de alta presión (un anticiclón ), el flujo secundario incluye un descenso lento y generalizado del aire desde altitudes medias hacia el nivel del suelo, y luego hacia afuera a través de las isobaras. Este descenso provoca una reducción de la humedad relativa y explica por qué las regiones de alta presión suelen tener cielos despejados durante muchos días.

Los tornados y los remolinos de polvo presentan un flujo vorticial localizado . Su movimiento fluido es similar al de los ciclones tropicales , pero a una escala mucho menor, por lo que el efecto Coriolis no es significativo. El flujo principal es circular alrededor del eje vertical del tornado o remolino de polvo. Como en todo flujo vorticial , la velocidad del flujo es máxima en el centro del vórtice. De acuerdo con el principio de Bernoulli, donde la velocidad del viento es máxima, la presión atmosférica es mínima; y donde la velocidad del viento es mínima, la presión atmosférica es máxima. Por consiguiente, cerca del centro del tornado o remolino de polvo, la presión atmosférica es baja. Existe un gradiente de presión hacia el centro del vórtice. Este gradiente, junto con la menor velocidad del aire cerca de la superficie terrestre, provoca un flujo secundario hacia el centro del tornado o remolino de polvo, en lugar de un flujo puramente circular.

La menor velocidad del aire en la superficie impide que la presión atmosférica descienda tanto como cabría esperar a mayor altitud. Esto concuerda con el principio de Bernoulli. El flujo secundario se dirige hacia el centro del tornado o remolino de polvo, y luego es arrastrado hacia arriba por la presión significativamente menor a varios miles de pies sobre la superficie en el caso de un tornado, o a varios cientos de pies en el caso de un remolino de polvo. Los tornados pueden ser muy destructivos, y el flujo secundario puede provocar que los escombros se concentren en un punto central y sean transportados a bajas altitudes.

Los remolinos de polvo se pueden observar por el polvo que se levanta a nivel del suelo, es arrastrado por el flujo secundario y concentrado en un punto central. La acumulación de polvo acompaña al flujo secundario hacia arriba, en la región de baja presión intensa que existe fuera de la influencia del suelo.

Cuando el agua en un recipiente circular gira en un movimiento circular , presenta un flujo de vórtice libre : el agua en el centro gira a una velocidad relativamente alta, mientras que en el perímetro gira más lentamente. El agua es un poco más profunda en el perímetro y un poco menos profunda en el centro, y su superficie no es plana, sino que presenta la característica depresión hacia el eje del fluido giratorio. A cualquier altura dentro del agua, la presión es ligeramente mayor cerca del perímetro, donde el agua es un poco más profunda, que cerca del centro. La presión del agua es ligeramente mayor donde la velocidad del agua es ligeramente menor, y ligeramente menor donde la velocidad es mayor, lo cual concuerda con el principio de Bernoulli .

Existe un gradiente de presión desde el perímetro del recipiente hacia el centro. Este gradiente proporciona la fuerza centrípeta necesaria para el movimiento circular de cada porción de agua. El gradiente de presión también explica un flujo secundario de la capa límite en el agua que fluye por el fondo del recipiente. La menor velocidad del agua en la capa límite no logra contrarrestar el gradiente de presión. La capa límite se curva en espiral hacia el eje de circulación del agua. Al llegar al centro, el flujo secundario asciende hacia la superficie, mezclándose progresivamente con el flujo primario. Cerca de la superficie, también puede haber un flujo secundario lento hacia el perímetro.

El flujo secundario a lo largo del fondo del recipiente puede observarse esparciendo partículas pesadas como azúcar, arena, arroz u hojas de té en el agua y luego agitando el agua con una mano o una cuchara para crear un movimiento circular. La capa límite se enrolla en espiral hacia adentro y arrastra los sólidos más pesados, formando un montón ordenado en el centro del recipiente. Con el agua circulando en un recipiente, el flujo primario es puramente circular y cabría esperar que lanzara las partículas pesadas hacia el perímetro. Sin embargo, se observa que las partículas pesadas se agrupan en el centro como resultado del flujo secundario a lo largo del fondo. ^{[ 1 ]}

El agua que fluye a través de una curva en un río debe seguir líneas de corriente curvas para permanecer dentro de las orillas. La superficie del agua es ligeramente más alta cerca de la orilla cóncava que cerca de la orilla convexa. (La "orilla cóncava" tiene el radio mayor. La "orilla convexa" tiene el radio menor). Como resultado, a cualquier elevación dentro del río, la presión del agua es ligeramente mayor cerca de la orilla cóncava que cerca de la orilla convexa. Se genera un gradiente de presión desde la orilla cóncava hacia la otra orilla. Las fuerzas centrípetas son necesarias para la trayectoria curva de cada porción de agua, fuerza que es proporcionada por el gradiente de presión. ^{[ 1 ]}

El flujo principal alrededor de la curva se aproxima a un vórtice libre : la velocidad más rápida donde el radio de curvatura de la corriente es menor y la velocidad más lenta donde el radio es mayor. ^{[ 2 ]} La mayor presión cerca de la orilla cóncava (exterior) se acompaña de una menor velocidad del agua, y la menor presión cerca de la orilla convexa se acompaña de una mayor velocidad del agua, y todo esto es consistente con el principio de Bernoulli .

Se produce un flujo secundario en la capa límite a lo largo del lecho del río. La capa límite no se mueve lo suficientemente rápido como para equilibrar el gradiente de presión, por lo que su trayectoria es parcialmente aguas abajo y parcialmente transversal a la corriente desde la orilla cóncava hacia la orilla convexa, impulsada por el gradiente de presión. ^{[ 3 ]} El flujo secundario asciende entonces hacia la superficie, donde se mezcla con el flujo primario o se mueve lentamente a través de la superficie, de vuelta hacia la orilla cóncava. ^{[ 4 ]} Este movimiento se denomina flujo helicoidal .

En el lecho del río, el flujo secundario arrastra arena, limo y grava a través del río y deposita los sólidos cerca de la orilla convexa, de manera similar a como el azúcar o las hojas de té son arrastradas hacia el centro de un tazón o taza como se describió anteriormente. ^{[ 1 ]} Este proceso puede llevar a la acentuación o creación de islas en forma de D, meandros a través de la creación de orillas erosionadas y barras de punta opuestas que a su vez pueden resultar en un lago de herradura . La orilla convexa (interior) de las curvas del río tiende a ser poco profunda y estar compuesta de arena, limo y grava fina; la orilla cóncava (exterior) tiende a ser empinada y elevada debido a la fuerte erosión.

Se han propuesto diferentes definiciones para el flujo secundario en turbomáquinas, como por ejemplo: "En términos generales, el flujo secundario se refiere al flujo perpendicular al flujo primario previsto". ^{[ 5 ]}

Los flujos secundarios se producen en la trayectoria principal o primaria del flujo en compresores y turbinas de turbomáquinas (véase también el uso no relacionado del término para el flujo en el sistema de aire secundario de un motor de turbina de gas). Siempre están presentes cuando una capa límite de pared se desvía en un ángulo debido a una superficie curva. ^{[ 6 ]} Son una fuente de pérdida de presión total y limitan la eficiencia que se puede lograr para el compresor o la turbina. El modelado del flujo permite dar forma a las superficies de los álabes, paletas y paredes terminales para reducir las pérdidas. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En un compresor centrífugo, los flujos secundarios se producen a lo largo del impulsor , pero son menos pronunciados en los compresores axiales debido a la menor longitud de los conductos. ^{[ 9 ]} La desviación del flujo es baja en los compresores axiales, pero las capas límite son gruesas en las paredes del anillo, lo que genera flujos secundarios significativos. ^{[ 10 ]} La desviación del flujo en los álabes y paletas de la turbina es alta y genera un fuerte flujo secundario. ^{[ 11 ]}

En las bombas para líquidos también se producen flujos secundarios, entre los que se incluyen la pre-rotación de entrada o vorticidad de admisión, el flujo de holgura de la punta (fuga de la punta), la separación del flujo cuando se opera fuera de las condiciones de diseño y la vorticidad secundaria. ^{[ 12 ]}

Lo siguiente, de Dixon, ^{[ 13 ]} muestra el flujo secundario generado por el giro del flujo en un álabe de compresor axial o en el conducto del estator. Consideremos un flujo con una velocidad de aproximación c1. El perfil de velocidad no será uniforme debido a la fricción entre la pared del anillo y el fluido. La vorticidad de esta capa límite es normal a la velocidad de aproximación.${\displaystyle c_{1}}$y de magnitud $${\displaystyle w_{1}={\frac {dc_{1}}{dz}},}$$donde z es la distancia a la pared.

Como la vorticidad de cada álabe sobre el otro tendrá direcciones opuestas, se generará una vorticidad secundaria. Si el ángulo de deflexión, e, entre los álabes guía es pequeño, la magnitud de la vorticidad secundaria se representa como $${\displaystyle w_{s}=-2e\left({\frac {dc_{1}}{dz}}\right)}$$

Este flujo secundario será el efecto integrado de la distribución de la vorticidad secundaria a lo largo de la longitud del álabe.

Los motores de turbina de gas tienen un flujo de aire primario generador de energía que pasa a través del compresor. También tienen un flujo secundario sustancial (25 % del flujo principal en un Pratt & Whitney PW2000 ) ^{[ 14 ]} que se obtiene del flujo primario y que es bombeado desde el compresor y utilizado por el sistema de aire secundario. Al igual que el flujo secundario en la turbomaquinaria, este flujo secundario también representa una pérdida para la capacidad generadora de energía del motor.

El flujo que produce empuje y que pasa a través del ciclo térmico de un motor se denomina flujo de aire primario. El uso exclusivo del flujo del ciclo térmico tuvo una vida relativamente corta, como en el caso del motor turborreactor. El flujo de aire que pasa a través de una hélice o un ventilador de turbomáquina se denomina flujo secundario y no forma parte del ciclo térmico. ^{[ 15 ]} Este uso del flujo secundario reduce las pérdidas y aumenta la eficiencia general del sistema de propulsión. El flujo secundario puede ser muchas veces mayor que el que pasa a través del motor.

Durante la década de 1960, se buscó alcanzar velocidades de crucero entre Mach 2 y 3 en aeronaves comerciales y militares. El Concorde , el North American XB-70 y el Lockheed SR-71 utilizaban toberas supersónicas de tipo eyector con un flujo secundario proveniente de la entrada, aguas arriba del compresor del motor. Este flujo secundario se empleaba para purgar el compartimento del motor, enfriar la carcasa, refrigerar la tobera eyectora y amortiguar la expansión primaria. El flujo secundario era expulsado por la acción de bombeo del flujo de gas primario a través de la tobera del motor y la presión dinámica en la entrada.