Fluxo laminar - Laminar flow

Fluxo laminar suave e claro e fluxo turbulento com espuma podem ser vistos na borda de Horseshoe Falls .
O perfil de velocidade associado ao fluxo laminar se assemelha a um baralho de cartas. Este perfil de fluxo de um fluido em um tubo mostra que o fluido atua em camadas que deslizam umas sobre as outras.

Na dinâmica de fluidos , o fluxo laminar é caracterizado por partículas de fluido seguindo caminhos suaves em camadas, com cada camada movendo-se suavemente pelas camadas adjacentes com pouca ou nenhuma mistura. Em baixas velocidades, o fluido tende a fluir sem mistura lateral e as camadas adjacentes deslizam umas sobre as outras como cartas de jogar . Não há correntes cruzadas perpendiculares à direção do fluxo, nem redemoinhos ou redemoinhos de fluidos. No fluxo laminar, o movimento das partículas do fluido é muito ordenado, com as partículas próximas a uma superfície sólida movendo-se em linhas retas paralelas a essa superfície. O fluxo laminar é um regime de fluxo caracterizado por difusão de alto momento e convecção de baixo momento .

Quando um fluido está fluindo através de um canal fechado, como um tubo ou entre duas placas planas, qualquer um dos dois tipos de fluxo pode ocorrer dependendo da velocidade e da viscosidade do fluido: fluxo laminar ou fluxo turbulento . O fluxo laminar ocorre em velocidades mais baixas, abaixo de um limite no qual o fluxo se torna turbulento. A velocidade é determinada por um parâmetro adimensional que caracteriza a vazão, denominado número de Reynolds , que também depende da viscosidade e densidade do fluido e das dimensões do canal. O fluxo turbulento é um regime de fluxo menos ordenado caracterizado por redemoinhos ou pequenos pacotes de partículas de fluido, que resultam em mistura lateral. Em termos não científicos, o fluxo laminar é suave , enquanto o fluxo turbulento é áspero .

Relacionamento com o número Reynolds

Uma esfera no fluxo de Stokes, em número de Reynolds muito baixo . Um objeto que se move através de um fluido experimenta uma força de arrasto na direção oposta ao seu movimento.

O tipo de fluxo que ocorre em um fluido em um canal é importante em problemas de dinâmica de fluidos e, subsequentemente, afeta a transferência de calor e massa em sistemas de fluido. O número de Reynolds adimensional é um parâmetro importante nas equações que descrevem se as condições de fluxo totalmente desenvolvidas levam a fluxo laminar ou turbulento. O número de Reynolds é a razão da força inercial para a força de cisalhamento do fluido: quão rápido o fluido está se movendo em relação a quão viscoso ele é, independentemente da escala do sistema de fluido. O fluxo laminar geralmente ocorre quando o fluido se move lentamente ou é muito viscoso. À medida que o número de Reynolds aumenta, por exemplo, ao aumentar a taxa de fluxo do fluido, o fluxo fará a transição de fluxo laminar para turbulento em uma faixa específica de números de Reynolds, a faixa de transição laminar-turbulenta dependendo de pequenos níveis de perturbação no fluido ou imperfeições no sistema de fluxo. Se o número de Reynolds for muito pequeno, muito menor que 1, o fluido exibirá um fluxo de Stokes , ou rastejamento, onde as forças viscosas do fluido dominam as forças inerciais.

O cálculo específico do número de Reynolds e os valores onde ocorre o fluxo laminar, dependerá da geometria do sistema de fluxo e do padrão de fluxo. O exemplo comum é o fluxo através de um tubo , onde o número de Reynolds é definido como

Onde:

D H é o diâmetro hidráulico do tubo (m);
Q é a vazão volumétrica (m 3 / s);
A é a área da seção transversal do tubo (m 2 );
u é a velocidade média do fluido ( unidades SI : m / s);
μ é a viscosidade dinâmica do fluido (Pa · s = N · s / m 2 = kg / (m · s));
ν é a viscosidade cinemática do fluido, ν = µ/ρ(m 2 / s);
ρ é a densidade do fluido (kg / m 3 ).

Para tais sistemas, o fluxo laminar ocorre quando o número de Reynolds está abaixo de um valor crítico de aproximadamente 2.040, embora a faixa de transição seja tipicamente entre 1.800 e 2.100.

Para sistemas de fluido que ocorrem em superfícies externas, como fluxo passando por objetos suspensos no fluido, outras definições para números de Reynolds podem ser usadas para prever o tipo de fluxo em torno do objeto. O número Reynolds da partícula Re p seria usado para partículas suspensas em fluidos fluidos, por exemplo. Como ocorre com o fluxo em tubos, o fluxo laminar normalmente ocorre com números de Reynolds mais baixos, enquanto o fluxo turbulento e fenômenos relacionados, como liberação de vórtice , ocorrem com números de Reynolds mais altos.

Exemplos

No caso de uma placa móvel em um líquido, verifica-se que existe uma camada (lâmina) que se move com a placa e uma camada de líquido estacionária próxima a qualquer placa estacionária.
  1. Uma aplicação comum do fluxo laminar é no fluxo suave de um líquido viscoso através de um tubo ou cano. Nesse caso, a velocidade do fluxo varia de zero nas paredes a um máximo ao longo do centro da seção transversal do vaso. O perfil de fluxo do fluxo laminar em um tubo pode ser calculado dividindo o fluxo em elementos cilíndricos finos e aplicando a força viscosa a eles.
  2. Outro exemplo é o fluxo de ar sobre a asa de uma aeronave . A camada limite é uma folha muito fina de ar que se estende sobre a superfície da asa (e todas as outras superfícies da aeronave). Como o ar tem viscosidade , essa camada de ar tende a aderir à asa. À medida que a asa se move para a frente no ar, a camada limite a princípio flui suavemente sobre a forma aerodinâmica do aerofólio . Aqui, o fluxo é laminar e a camada limite é uma camada laminar . Prandtl aplicou o conceito de camada limite laminar aos aerofólios em 1904.
  3. Um exemplo do dia-a-dia é o fluxo lento, suave e opticamente transparente de águas rasas sobre uma barreira lisa.
  4. Quando a água sai de uma torneira com pouca força, ela primeiro exibe um fluxo laminar, mas como a aceleração pela força da gravidade imediatamente se instala, o número de Reynolds do fluxo aumenta com a velocidade, e o fluxo laminar pode fazer a transição para um fluxo turbulento. A transparência óptica é então reduzida ou totalmente perdida.
  5. Combinação de fluxo laminar e turbulento em uma cachoeira. Laminar (exatamente sobre o cume) e fluxo turbulento (imediatamente a jusante com espuma branca) das Cataratas Vitória
    Em cachoeiras, ocorre uma versão em grande escala dos exemplos 3 e 4, já que agora grandes camadas de água fluindo suavemente caem sobre uma crista ou borda da cachoeira. Imediatamente, a transição para a turbulência começa com a velocidade devido à aceleração (o número de Reynolds cruza o limiar da turbulência) e a água espumosa e aerada obscurece o fluxo em queda.

Barreiras de fluxo laminar

Câmara experimental para estudo de quimiotaxia em resposta ao fluxo laminar.

O fluxo de ar laminar é usado para separar volumes de ar ou evitar que contaminantes transportados pelo ar entrem em uma área. Capuzes de fluxo laminar são usados ​​para excluir contaminantes de processos sensíveis na ciência, eletrônica e medicina. As cortinas de ar são frequentemente usadas em ambientes comerciais para impedir que o ar aquecido ou refrigerado passe pelas portas. Um reator de fluxo laminar (LFR) é um reator que usa fluxo laminar para estudar reações químicas e mecanismos de processo. Um projeto de fluxo laminar para a criação de animais de ratos para controle de doenças foi desenvolvido por Beall et al 1971 e se tornou um padrão em todo o mundo, incluindo o então Bloco Oriental .

Veja também

Referências

links externos