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Capa Límite de Velocidad y Térmica

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CAPA LÍMITE DE VELOCIDAD Y TÉRMICA EN SOLIDWORKS FLOW SIMULATION

En muchas industrias se utilizan sistemas de tuberías dentro de las cuales está confinado algún fluido (líquido o gas) y pueden estar sometidas a cambios de temperatura. En el análisis de las tuberías existen muchas variables y fenómenos que se deben tomar en cuenta, algunos de ellos están relacionados con la viscosidad del fluido confinado.

 

Los medios por los cuales se transmite el calor en las tuberías son la convección (fluidos en movimiento) y la conducción (sólidos y fluidos estáticos). Las características del flujo del fluido juegan un papel importante en el estudio de la convección. Dos condiciones de alta importancia son la capa límite de velocidad y la capa límite térmica.

 

Para entender la capa límite de velocidad, consideraremos el flujo de un fluido a través de un tubo con superficie sólida impermeable al fluido. Conforme el fluido fluye, la parte que está en contacto directo con la superficie se adhiere a esta por los efectos de la viscosidad y no se desliza, provocando una velocidad de cero en esta zona. Esto se conoce como condición de no deslizamiento. Esa capa adherida a la superficie transmite la desaceleración a la capa adyacente y ésta a la que sigue y así sucesivamente debido a la interacción de las fuerzas viscosas existentes, desarrollándose un perfil de velocidades.

Capa límite de velocidad (Cengel, 2016)

 

La región del flujo adyacente a la superficie en la cual los efectos viscosos son significativos se llama capa límite de velocidad. La viscosidad es la propiedad del fluido responsable del desarrollo de la capa límite. La aparición de la capa límite de velocidad tiene dos principales efectos: el primero es el arrastre superficial, fuerza que un fluido ejerce sobre una superficie en la dirección del flujo. Y segundo que la transferencia de calor entre el sólido y la capa de fluido adyacente a esa superficie se dé por conducción pura, ya que dicha capa está inmóvil.

La presencia de estos efectos viscosos y la aparición de la capa límite de velocidad están presentes en Solidworks Flow Simulation. Para ejemplificar este fenómeno veamos el siguiente trayecto de tubería:

Modelo de tubería utilizada como ejemplo.

 

Como condiciones de frontera se tienen:

  • Entrada de agua con flujo másico de 0.01 kg/s a 20°C
  • Salida a presión atmosférica.
  • Tubería con temperatura a 50°C

Con el fin de apreciar la capa límite de velocidad con mayor resolución, ignoraremos los efectos de la gravedad.

La capa límite de velocidad se puede apreciar a continuación:

Perfil de velocidades debido a la capa límite de velocidad sin efectos gravitacionales.

 

Si se consideran los efectos de la gravedad, la capa límite de velocidad sigue presente, simplemente que con un perfil distinto debido a los efectos de la convección.

 

Perfil de velocidades debido a la capa límite de velocidad con efectos gravitacionales.

 

A la par de la capa límite de velocidad, también se desarrolla una capa límite térmica. Siguiendo con la misma consideración del fluido en la tubería, consideremos que el fluido tiene una temperatura uniforme T y la superficie de la tubería es isotérmica (conserva una temperatura constante) a una temperatura Ts. Las partículas del fluido adyacentes a la superficie alcanzaran el equilibrio y tomaran la temperatura de la superficie Ts.

Estas partículas intercambiaran energía con las partículas más cercanas y así sucesivamente. Al igual que con la velocidad, se creará un perfil de temperaturas en el flujo, que va desde la temperatura de la superficie Ts hasta la del fluido T.

Aquella región del flujo donde la variación de la temperatura en dirección normal a la superficie es significativa, se conoce como la capa límite térmica. El grosor de la capa límite de temperatura se incrementa conforme avanza el fluido, debido a que los efectos de la transferencia de calor se presentan a distancias más grandes de la superficie de contacto.

Capa límite térmica (Cengel, 2016)

 

De igual forma, esta capa límite de temperatura puede ser apreciada en SOLIDWORKS Flow Simulation, primero veremos la capa límite térmica sin efectos de la gravedad:

Perfil de temperatura debido a la capa límite térmica sin efectos gravitacionales.

 

Incluyendo efectos de la gravedad y por ende de la convección, el perfil de temperaturas se muestra a continuación:

Perfil de temperatura debido a la capa límite térmica con efectos gravitacionales.

La velocidad del fluido tiene una influencia significativa sobre el perfil de temperatura y este a su vez impone la transferencia de calor por convección entre la superficie sólida y el fluido que fluye sobre ella. En otras palabras, el desarrollo de la capa límite de velocidad en relación con la térmica tendrá un fuerte efecto sobre la transferencia por convección.

El estudio de los perfiles de velocidades tiene un sinfín de aplicaciones. Contar con herramientas de simulación de fluidos permite predecir problemas de diseño antes del proceso de manufactura, incrementando así la eficiencia y calidad de productos y procesos industriales.

 

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