Fluxo laminar - Laminar flow
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
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
- 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.
- 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.
- Um exemplo do dia-a-dia é o fluxo lento, suave e opticamente transparente de águas rasas sobre uma barreira lisa.
- 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.
- 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
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
- Cachoeira de alto fluxo laminar de 3m, 1:01 m: s, 2016 no YouTube
- Construir um bocal de fluxo laminar por $ 15, 8:07 m: s, 2008 no YouTube
- Fluxo laminar de um pequeno riacho, 2016 no YouTube
- Uma fonte em Chicago, 2014 no YouTube
- Fluxo laminar reversível demonstrado com xarope de milho azul e verde, 2007 no YouTube
- Fluxo laminar em um tubo, 2006 no YouTube