¿Puede aumentar la turbulencia dentro de una tubería de forma económica el flujo?

Question

"El gradiente de velocidad en los flujos turbulentos es más pronunciado cerca de la pared y menos pronunciado en el centro de la tubería que en los flujos laminares (Blatt p.97)".

¿Significa esto que cierto grado de turbulencia cerca de la pared de una tubería puede realmente mejorar la eficiencia energética del bombeo de un fluido? Me doy cuenta de que la turbulencia tiende a aumentar la energía necesaria, pero quizás la cantidad mínima en el lugar adecuado podría resultar ventajosa. ¿Se han investigado las modificaciones de la superficie para aumentar la turbulencia en cuanto a su eficacia potencial?

"La viscosidad de remolino es generalmente mucho mayor que la viscosidad dinámica (Blatt p.111)". Esto sugeriría que las tuberías de mayor diámetro serían mejores candidatas para el flujo asistido por turbulencia, ya que la relación volumen/superficie es mayor.

Los rompehielos hacen burbujear aire en sus cascos para lubricar el hielo que raspa contra sus cascos. Una turbulencia especialmente adaptada podría lubricar el deslizamiento de la mayor parte del fluido, ya que prácticamente se "extruye" a través de una turbulencia controlada. La eficacia de la turbulencia dependería probablemente de la velocidad.

Información relevante: El Darcy-Weisbach se utiliza para describir la pérdida de presión en un determinado segmento de tubería.

Blatt, Middleton y Murray, " Origen de las rocas sedimentarias 2a Ed.

Answer 1

No, no puede en el caso general. Las fórmulas que dan la pérdida de presión en un conducto siempre vienen dadas por una forma P = K.geometría.rho.V² donde K es un coeficiente de fricción empírico, la geometría contiene parámetros geométricos (diámetro, longitud, etc.), rho es la densidad y V la velocidad.

Ahora K depende típicamente del número de Reynolds y de la rugosidad de la pared del conducto. Una vez fijada la naturaleza del fluido y la geometría del conducto, la pérdida de carga sólo depende de K.V².

¿Qué significa "aumentar la turbulencia" en el conducto? Sólo hay 2 respuestas posibles:

1) Aumentar la velocidad. Como esto aumenta tanto K como V², aumenta la pérdida de presión. Mal.

2) Aumentar la rugosidad del conducto. Esto aumenta K sin cambiar V. La pérdida de presión vuelve a aumentar. Mal.

Por supuesto, los flujos laminares de muy baja velocidad son también muy malos aflojadores de presión, pero entonces mueven tan poco fluido que no se utilizan de todos modos. Pasar de laminar a turbulento puede ser mejor o peor dependiendo de la rugosidad pero generalmente no se tiene opción porque el flujo (kg/s) es una restricción y el flujo turbulento es el resultado. Una vez dado el flujo turbulento, lo mejor es reducir la rugosidad al máximo.

Aquí tienes una excelente calculadora y puedes jugar con todo tipo de flujos posibles : http://www.engineeringtoolbox.com/colebrook-equation-d_1031.html

Además, hay una tabla con los coeficientes de fricción Darcy en función de Reynolds y la rugosidad.

Answer 2

Sí: hasta cierto punto

La ecuación de Darcy Weisbach tiene en cuenta las pérdidas por fricción en una tubería:

$f L D \frac{v^2}{2 g}$

$f$ normalmente proviene de un Diagrama de Moody . Si se observa uno, se verá que el factor de fricción de una tubería disminuye con el aumento del número de Reynolds hasta que el flujo se considera "totalmente turbulento", momento en el que el factor de fricción se nivela.

La razón física de esto es que se forma una capa límite turbulenta en el borde de la tubería, lo que hace que la tubería sea efectivamente más suave. El perfil de velocidad media de un flujo de tubería con un número de Reynolds bajo es parabólico, mientras que un flujo con un número de Reynolds alto es más uniforme, por lo que el flujo "siente" menos las paredes de la tubería.

Una tubería que pase de un número de Reynolds 3.000 a 300.000 podría ver reducido su factor de fricción a casi la mitad, pero una tubería que pase de Re 300.000 a 3.000.000 no verá prácticamente reducido su factor de fricción.

Answer 3

Riblets puede mejorar el flujo de fluido en una tubería entre un 3 y un 15%. Se descubrieron inicialmente al estudiar la piel de los tiburones.

Los pequeños riblets que cubren la piel de los tiburones que nadan a gran velocidad actúan disminuyendo la tensión de cizallamiento total en la superficie e impidiendo la traslación transversal de las vorticidades en la subcapa viscosa. Si bien estos efectos y su papel en la reducción final de la corriente de aire se comprenden y son reproducibles, los mecanismos subyacentes que causan la reducción de la traslación de los vórtices no se comprenden del todo.

Una de las causas clásicas del aumento de la escorrentía que presentan las superficies de los riblets que imitan la piel de tiburón es el aumento de la superficie mojada. En el régimen de flujo turbulento, la resistencia del fluido suele aumentar drásticamente con el incremento de la superficie, debido a las tensiones de cizallamiento en la superficie que actúan sobre la nueva y mayor superficie. Sin embargo, al formarse vorticidades sobre la superficie de los riblets, éstas permanecen por encima de los mismos, interactuando sólo con las puntas y raramente provocando un flujo de alta velocidad en los valles de los riblets. Dado que las vorticidades de mayor velocidad sólo interactúan con una pequeña área de superficie en las puntas de los riblets, sólo esta área localizada experimenta altas tensiones de cizallamiento. El flujo de fluido de baja velocidad en los valles de los riblets produce tensiones de cizallamiento muy bajas en la mayor parte de la superficie del riblet. Al mantener las vorticidades por encima de las puntas de los riblets, las fluctuaciones de velocidad de la corriente transversal dentro de los valles de los riblets son mucho menores que las fluctuaciones de velocidad de la corriente transversal por encima de una placa plana (Lee y Lee, 2001). Esta diferencia en las fluctuaciones de velocidad de la corriente transversal es una prueba de la reducción de la tensión de cizallamiento y de la transferencia de momento cerca de la superficie, lo que minimiza el efecto del aumento de la superficie. Fuente: "El efecto de las geometrías de Riblet inspiradas en la piel de tiburón sobre el arrastre en el flujo de un conducto rectangular". Brian Doublas Dean, Universidad Estatal de Ohio, 2011.

La eficacia de los riblets depende en gran medida de la velocidad del fluido.

Existe una amplia bibliografía sobre la reducción de la resistencia aerodinámica mediante el uso de riblets en un flujo de capa límite turbulento sobre placas planas. Algunos de los primeros y más importantes resultados fueron obtenidos por Walshs $^{1,2,3}$ . Demostró que la reducción de la resistencia aerodinámica podía obtenerse cuando la altura de la estructura riblet expresada en unidades wll $S^+ =\frac{Su^+}{v}$ es inferior a 30; el máximo de 7-8% se produjo cuando $S^+$ es de unos 15. Aquí S es la altura y la base de los riblets, $u^+$ es la velocidad de fricción y $v$ es la viscosidad cinemática. También descubrió que las ranuras triangulares son de las más eficaces para reducir la resistencia.

Se sabe menos sobre el efecto de los riblets en la reducción de la resistencia en el flujo de las tuberías. Nitschke $^4$ estudió el flujo de aire en un tubo con picos redondeados y valles planos mecanizados en la superficie del tubo. Se midió una reducción máxima de la resistencia del 3%.... A mayores velocidades, los revestimientos de riblet provocan un aumento de la resistencia. Fuente: "Drag Reduction in Pipes Lined with Riblets". K.N. Liu, C. Christodoulou, O. Ciccius, C.C. Joseph, Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN.

La turbulencia también puede reducirse para aumentar la eficiencia mediante la aplicación de un Superhidrófobo recubrimiento.