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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 los cursos de transferencia de calor describen este flujo como tener dos zonas diferentes separadas por una transición abrupta, en realidad hay tres zonas separadas. Según los investigadores, una zona de transición larga es tan importante como la primera y la última zona.
La brecha tiene que ver con el retraso entre dos modos diferentes de circulación de fluidos. Cuando el agua o el aire comienzan a fluir a lo largo de una lámina plana y sólida, se forma una delgada capa límite. Dentro de esta capa, la parte más cercana a la superficie apenas se mueve debido a la fricción, la parte justo encima de la cual fluye un poco más rápido, y así sucesivamente, hasta un punto donde se mueve a toda velocidad desde el flujo original. Este aumento constante y gradual de la velocidad a través de una delgada capa límite se llama flujo laminar. Pero más abajo, el flujo cambia, descomponiéndose en remolinos caóticos y remolinos conocidos como flujo turbulento.
Las propiedades de esta capa límite determinan hasta qué punto el fluido puede transferir calor, lo cual es esencial para muchos procesos de enfriamiento, como computadoras de alto rendimiento, plantas de desalinización o condensadores de plantas de energía.
Los estudiantes aprendieron a calcular las características de tales flujos como si hubiera un cambio repentino de un flujo laminar a un flujo turbulento. Pero John Lienhard, profesor Abdul Lateef Jameel de Ingeniería Mecánica y del Agua en el MIT, hizo un análisis cuidadoso de los datos experimentales publicados y descubrió que esta imagen ignora una parte importante del proceso. Los resultados acaban de ser publicados en el Diario de transferencia de calor.
La revisión de Lienhard de los datos de transferencia de calor revela una importante zona de transición entre flujos laminares y turbulentos. La resistencia de esta zona de transición al flujo de calor varía progresivamente entre las de las otras dos zonas, y la zona es tan larga y distintiva como la zona de flujo laminar que la precede.
Los resultados podrían tener implicaciones para todo, desde el diseño de intercambiadores de calor para desalinización u otros procesos a escala industrial, hasta la comprensión del flujo de aire a través de motores a reacción, dice Lienhard.
De hecho, sin embargo, la mayoría de los ingenieros que trabajan en estos 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 alinear la teoría y la enseñanza con las prácticas de ingeniería del mundo real. "La noción de transición abrupta se ha arraigado en los libros de texto de transferencia de calor y las aulas durante 60 o 70 años", dice.
Las fórmulas básicas para comprender el flujo a lo largo de una superficie plana son los fundamentos fundamentales de todas las situaciones de flujo más complejas, como el flujo de aire en el ala de un avión o un amanecer de turbina curva, o para enfriar naves espaciales cuando vuelven a entrar en la atmósfera. "La superficie plana es el punto de partida para comprender cómo funcionan estas 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 se correspondían con las condiciones límite supuestas por la teoría. Una placa de laboratorio puede tener un borde redondeado o una temperatura no uniforme, por lo que los investigadores de las décadas de 1940, 1950 y 1960 a menudo "ajustaron" sus datos para forzar un acuerdo con esta teoría ", dice. Las discrepancias entre los datos que de otra manera serían buenos y esta teoría también han llevado a desacuerdos agudos entre los especialistas en la literatura sobre transferencia de calor.
Lienhard descubrió que los investigadores del Departamento del Aire Británico habían identificado y resuelto parcialmente el problema de las temperaturas superficiales no uniformes en 1931. "Pero no pudieron resolver completamente el problema. ecuación que derivaron ", dice. "Tuvo que esperar hasta que se pudieran usar las computadoras digitales, a partir de 1949". Mientras tanto, las disputas entre especialistas estaban burbujeando.
Lienhard dice que decidió echar un vistazo a la base experimental de las ecuaciones que se enseñaron, dándose cuenta de que los investigadores han sabido durante décadas que la transición jugó 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. "Miré la literatura experimental hasta 1930. La recopilación de estos datos permitió comprender algo muy claro: lo que estábamos enseñando se simplificó terriblemente". Y la diferencia en la descripción del flujo de fluidos significaba que los cálculos de transferencia de calor a veces eran incorrectos.
Ahora, gracias a este nuevo análisis, los ingenieros y los estudiantes podrán calcular con precisión la temperatura y el flujo de calor en una amplia gama de condiciones de flujo y fluido, dice Lienhard.
"Predecir el coeficiente de transferencia de calor en una región donde las transiciones de flujo del régimen laminar al turbulento ha sido un gran desafío científico debido a la falta de una comprensión clara de los primeros principios de la física fundamental Dice Andrei Federov, profesor de ingeniería mecánica en Georgia Tech. , que no participó en este trabajo. Agrega que Lienhard "examinó cuidadosamente una serie de datos experimentales dispares para la región de transición publicados durante varias décadas por diferentes investigadores y encontró una correlación sorprendentemente efectiva, en su poder predictivo, para el coeficiente de transferencia de calor que cubre toda la gama de flujos laminares desde la transición a la turbulenta. "
Robert Mahan, profesor emérito de ingeniería mecánica en Virginia Tech, quien tampoco estuvo asociado con este trabajo, dice que Lienhard "enfatiza – y resuelve – las inconsistencias en la literatura clásica que han permanecido sin resolver por más de una generación Cuando el polvo académico se asiente de este breve pero poderoso vórtice, sin duda serán las correlaciones actualizadas presentadas en esta contribución que los científicos serios y los ingenieros en ejercicio utilizarán para predecir la transferencia de calor de las placas planas. "
