Ya sea que el agua fluya a través de una placa condensadora en una planta industrial, o el aire que fluye a través de los conductos de calefacción y refrigeración, el flujo de fluido a través de superficies planas es un fenómeno en el corazón de muchos de los procesos de la vida moderna. Sin embargo, aspectos deEste proceso se ha entendido mal y algunos se han enseñado incorrectamente a generaciones de estudiantes de ingeniería, según muestra un nuevo análisis.
El estudio examinó varias décadas de investigación y análisis publicados sobre flujos de fluidos. Descubrió que, si bien la mayoría de los libros de texto de pregrado y la enseñanza en el aula sobre transferencia de calor describen dicho flujo como tener dos zonas diferentes separadas por una transición abrupta, de hecho, hay treszonas. Una larga zona de transición es tan significativa como la primera y la última zona, dicen los investigadores.
La discrepancia tiene que ver con el cambio entre dos formas diferentes en que pueden fluir los fluidos. Cuando el agua o el aire comienzan a fluir a lo largo de una lámina plana y sólida, se forma una capa delgada de límite. Dentro de esta capa, la parte más cercana a la superficie apenasse mueve en absoluto debido a la fricción, la parte justo por encima que fluye un poco más rápido, y así sucesivamente, hasta un punto donde se mueve a la velocidad máxima del flujo original. Este aumento constante y gradual de la velocidad a través de una delgada capa límite esllamado flujo laminar, pero más abajo, el flujo cambia, rompiéndose en los caóticos remolinos y remolinos conocidos como flujo turbulento.
Las propiedades de esta capa límite determinan qué tan bien el fluido puede transferir calor, que es clave para muchos procesos de enfriamiento, como para computadoras de alto rendimiento, plantas de desalinización o condensadores de plantas de energía.
Se les ha enseñado a los estudiantes a calcular las características de tales flujos como si hubiera un cambio repentino de flujo laminar a flujo turbulento. Pero John Lienhard, el Profesor Abdul Lateef Jameel de Agua y de ingeniería mecánica en el MIT, hizo un análisis cuidadoso depublicó datos experimentales y descubrió que esta imagen ignora una parte importante del proceso. Los hallazgos acaban de publicarse en el Diario de transferencia de calor .
La revisión de Lienhard de los datos de transferencia de calor revela una zona de transición significativa entre los flujos laminar y turbulento. La resistencia de esta zona de transición al flujo de calor varía gradualmente entre las de las otras dos zonas, y la zona es tan larga y distintiva como el flujo laminarzona que lo precede.
Los hallazgos podrían tener implicaciones para todo, desde el diseño de intercambiadores de calor para la desalinización u otros procesos a escala industrial, hasta la comprensión del flujo de aire a través de los motores a reacción, dice Lienhard.
De hecho, sin embargo, la mayoría de los ingenieros que trabajan en tales sistemas entienden la existencia de una zona de transición larga, incluso si no está en los libros de texto de pregrado, señala Lienhard. Ahora, al aclarar y cuantificar la transición, este estudio ayudará a aportar teoríay la enseñanza en línea con la práctica de ingeniería del mundo real. "La noción de una transición abrupta se ha arraigado en los libros de texto de transferencia de calor y las aulas durante los últimos 60 o 70 años", dice.
Las fórmulas básicas para comprender el flujo a lo largo de una superficie plana son los fundamentos fundamentales para todas las situaciones de flujo más complejas, como el flujo de aire sobre un ala curva de un avión o una pala de turbina, o para enfriar vehículos espaciales a medida que vuelven a entrar en la atmósfera ".la superficie es el punto de partida para comprender cómo funciona cualquiera de esas cosas ", dice Lienhard.
La teoría de las superficies planas fue expuesta por el investigador alemán Ernst Pohlhausen en 1921. Pero aun así, "los experimentos de laboratorio generalmente no coincidían con las condiciones límite asumidas por la teoría. Una placa de laboratorio podría tener un borde redondeado o no uniformetemperatura, por lo que los investigadores en los años 1940, 50 y 60 a menudo 'ajustaron' sus datos para forzar el acuerdo con esta teoría ", dice. Las discrepancias entre los datos que de otra manera serían buenos y esta teoría también provocaron desacuerdos entre los especialistas en la literatura sobre transferencia de calor.
Lienhard descubrió que los investigadores del Ministerio del Aire británico identificaron y resolvieron parcialmente el problema de las temperaturas superficiales no uniformes en 1931. "Pero no pudieron resolver completamente la ecuación que derivaron", dice. "Eso tuvo que esperar hasta quepodrían usarse computadoras digitales, comenzando en 1949. "Mientras tanto, los argumentos entre especialistas continuaron".
Lienhard dice que decidió echar un vistazo a la base experimental de las ecuaciones que se estaban enseñando, dándose cuenta de que los investigadores han sabido durante décadas que la transición desempeñó un papel importante. "Quería trazar datos con estas ecuaciones. De esa manera, los estudiantes podían ver qué tan bien funcionaban o no las ecuaciones ", dijo." Observé la literatura experimental desde 1930. Recopilar estos datos dejó algo muy claro: lo que estábamos enseñando estaba terriblemente simplificado ".Y la discrepancia en la descripción del flujo de fluidos significaba que los cálculos de transferencia de calor a veces eran incorrectos
Ahora, con este nuevo análisis, los ingenieros y los estudiantes podrán calcular la temperatura y el flujo de calor con precisión en una amplia gama de condiciones y fluidos, dice Lienhard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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