Un fluido, como el agua que circula por una tubería, presenta distintas características en función de variables como su velocidad, su viscosidad o su densidad, entre otros. Conocer qué tipo de régimen dominará el comportamiento del fluido es muy importante, ya que permite predecir aspectos claves en ingeniería, como trayectorias, velocidades o fuerzas. Esto permite mejorar los diseños, por ejemplo, para que sean más ligeros y aerodinámicos. En este artículo se explican las diferencias entre el flujo laminar y el flujo turbulento y qué relación existe con el Número de Reynolds. También hay disponible un vídeo al final del artículo.
Flujo laminar y flujo turbulento
Cuando un fluido está en movimiento, esto es, cuando fluye, pueden observarse dos tipos de regímenes o tipos de flujo muy distintos entre sí.
En el régimen de flujo laminar las partículas se mueven de manera ordenada, describiendo trayectorias paralelas y suaves. Las distintas capas del fluido no se mezclan, siguiendo caminos predecibles y uniformes. Este tipo de flujo es habitual cuando la velocidad del fluido es baja o su viscosidad es alta, aunque esto lo entenderemos mejor más adelante.
El régimen de flujo turbulento, al contrario, se caracteriza por un movimiento caótico de las partículas, siguiendo caminos entrecruzados e irregulares con zonas de remolinos. Esto genera un mezclado constante del fluido, siendo trayectorias difícilmente predecibles. La modelización de este comportamiento es mucho más compleja, dada la aleatoriedad de las trayectorias.
¿Qué indica el Número de Reynolds?
Como hemos visto, estos dos tipos de flujo son muy distintos entre sí, y la existencia de uno u otro depende de variables como la velocidad, viscosidad o densidad del fluido, además de la geometría del problema. Es necesaria una herramienta que permita discernir qué tipo de flujo se espera para cada condición.
El Número de Reynolds es un parámetro adimensional que permite caracterizar el movimiento de un fluido, indicando si se ajusta al modelo laminar o turbulento. Fue definido por Osborne Reynolds en 1883.
El Número de Reynolds relaciona la densidad del fluido, \rho, su velocidad, u, su viscosidad dinámica, \mu, y la longitud característica (geometría del problema), L, como
Re=\dfrac{\rho u L}{\mu}
Dada la relación existente entre la viscosidad dinámica, \mu, y la viscosidad cinemática, \nu, (recuérdese \nu=\dfrac{\mu}{\rho}), también puede escribirse como
Re=\dfrac{u L}{\nu}
La longitud característica, L, viene definida por la geometría del problema que se esté analizando. En el caso de un fluido que circula por una tubería, la longitud característica es su diámetro, D. Si se trata de una tubería o canal se sección recta no es circular, la longitud característica se obtiene a partir del diámetro hidráulico, D_h, como
D_h=4\left(\dfrac{área}{perímetro\,mojado}\right)
No obstante, la longitud característica puede variar considerablemente en función del problema. El Número de Reynolds no se aplica solo a conducciones, también al efecto del fluido a lo largo de un perfil aerodinámico del ala de un avión por ejemplo.
Significado del Número de Reynolds
Probablemente podemos preguntarnos por qué el Número de Reynolds tiene esa forma. Todo parte de su definición. El Número de Reynolds muestra la relación que existe entre las fuerzas inerciales del fluido (numerador), que representan que éste se mueva, y las fuerzas viscosas (denominador), que son los efectos de la fricción desarrollados entre las distintas capas del fluido, debido a su propia viscosidad.
Re=\dfrac{Fuerzas_{inercia}}{Fuerzas_{viscosas}}
Intuimos como las fuerzas inerciales están relacionadas con la velocidad, que favorece el desplazamiento de las partículas del fluido, mientras que las fuerzas viscosas, que tienden a frenarlo, están estrechamente relacionadas con la viscosidad. Este hecho es algo que todos hemos experimentado en casa alguna vez, por ejemplo al coger una cucharada de miel, cuya viscosidad es alta, lo que evita que pueda fluir fácilmente si se compara con el agua.
Valores característicos del Número de Reynolds
Ahora ya conocemos el significado de este parámetro, pero falta catalogar qué ocurre en función de su valor.
Si predominan las fuerzas viscosas (denominador), el Número de Reynolds tomará valores pequeños y el fluido circulará de manera ordenada y suave (como cae la miel desde la cuchara). El flujo será laminar.
Por el contrario, si las fuerzas predominantes son las fuerzas inerciales (numerador), el Número de Reynolds será grande y la viscosidad del fluido no podrá evitar el movimiento caótico y las turbulencias. El flujo será turbulento.
Aunque, en función de la geometría del problema, los valores pueden variar, en conductos o tuberías se demuestra que:
- Si Re \leq 2300 el flujo es laminar.
- Si 2300 < Re \leq 4000 existe un flujo de transición entre laminar y turbulento.
- Si Re \geq 4000 el flujo es turbulento.
Si queréis reforzar lo aprendido os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!