Comprender cómo los fluidos calientan o enfrían las superficies | Noticias del MIT

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Ya sea agua que fluye sobre una placa de condensador en una planta industrial o aire que fluye a través de conductos de calefacción y refrigeración, el flujo de El fluido en superficies planas es un fenómeno en el corazón de muchos procesos en la vida moderna. Sin embargo, algunos aspectos de este proceso se han malinterpretado y algunos se han enseñado incorrectamente a generaciones de estudiantes de ingeniería, según un nuevo análisis.

El estudio examinó varias décadas de investigación y análisis publicados sobre el flujo de fluidos. Descubrió que, si bien la mayoría de los libros de texto de pregrado y los cursos de transferencia de calor describen tal flujo como si tuviera dos áreas diferentes separadas por una transición pronunciada, de hecho hay tres áreas distintas. Una zona de transición larga es tan importante como la primera y la última zona, dicen los investigadores.

La brecha tiene que ver con el cambio entre dos formas diferentes de flujo de fluido. Cuando el agua o el aire comienzan a fluir a lo largo de una hoja sólida y plana, se forma una delgada capa límite. En esta capa, la parte más cercana a la superficie apenas se mueve debido a la fricción, la parte de arriba se hunde un poco más rápido, y así sucesivamente, hasta un punto donde se mueve a la velocidad máxima de la secuencia original. Este aumento constante y gradual de la velocidad a través de una capa límite delgada se denomina 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 qué tan bien el fluido puede transferir calor, que es esencial en muchos procesos de enfriamiento, como computadoras de alto rendimiento, plantas de desalinización o condensadores de plantas de energía.

Se enseñó a los estudiantes a calcular las características de tales flujos como si hubiera un cambio repentino de flujo laminar a flujo turbulento. Pero John H. Lienhard V, profesor Abdul Latif 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 publicarse en el Registro de transferencia de calor.

El examen de Lienhard de los datos de transferencia de calor revela una importante zona de transición entre flujo 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 la zona de flujo laminar que la 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 ellos. motores a reacción, dice Lienhard.

De hecho, sin embargo, la mayoría de los ingenieros que trabajan en tales sistemas comprenden la existencia de una zona de transición larga, incluso si no se encuentra 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 la práctica de la ingeniería del mundo real. “La noción de transición abrupta ha estado arraigada en los libros de texto y las aulas de transferencia de calor durante 60 o 70 años”, dice.

Las fórmulas básicas para comprender el flujo a lo largo de una superficie plana son los cimientos fundamentales de todas las situaciones de flujo más complejas, como el flujo de aire por encima. ala curva de avión o álabe de turbina, o para enfriar vehículos espaciales cuando vuelven a entrar en la atmósfera. “La superficie plana es el punto de partida para comprender cómo funcionan estos elementos”, explica Lienhard.

La teoría de las superficies planas fue planteada por el investigador alemán Ernst Pohlhausen en 1921. Pero aun así, “los experimentos de laboratorio generalmente no se correspondían con las condiciones de contorno asumidas 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, 50 y 60 a menudo "modificaban" sus datos para forzar un acuerdo con esta teoría ", dice. Las discrepancias entre los datos que por lo demás son buenos y esta teoría también han dado lugar a grandes desacuerdos entre los estudiosos de la literatura sobre transferencia de calor.

Lienhard descubrió que los investigadores del Ministerio del Aire del Reino Unido identificaron y resolvieron parcialmente el problema de las temperaturas superficiales no uniformes en 1931. “Pero no han podido resolver completamente el problema. ecuación que derivaron ”, dice. "Tuvo que esperar hasta que se pudieran usar computadoras digitales, a partir de 1949". Mientras tanto, continuaron las disputas entre especialistas.

Lienhard dice que decidió echar un vistazo a la base experimental de las ecuaciones enseñadas, al darse cuenta de que los investigadores saben desde hace décadas que la transición juega un papel importante. “Quería graficar datos con estas ecuaciones. De esta manera, los estudiantes pudieron ver qué tan bien funcionaban o no las ecuaciones ”, dijo. “Miré la literatura experimental hasta 1930. La recopilación de estos datos dejó algo muy claro: lo que estábamos enseñando estaba terriblemente simplificado. Y la discrepancia en la descripción del flujo de fluido significaba que los cálculos de transferencia de calor a veces eran incorrectos.

Ahora, gracias a este nuevo análisis, los ingenieros y estudiantes podrán calcular con precisión la temperatura y el flujo de calor en una amplia gama de condiciones de flujo y fluidos, explica Lienhard.

"Predecir el coeficiente de transferencia de calor en una región donde el flujo cambia de régimen laminar a turbulento ha sido un gran desafío científico debido a la falta de una comprensión clara de los fundamentos de la física fundamental", dice Andrei Fedorov, 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 propuso una correlación sorprendentemente efectiva, en su poder predictivo, para el coeficiente de transferencia de calor. que cubre toda la gama de caudales. de laminar a la transición a turbulento. "

Robert Mahan, profesor emérito de ingeniería mecánica en Virginia Tech, que tampoco estuvo asociado con este trabajo, dice que Lienhard "señala y resuelve inconsistencias en la literatura clásica que no se han resuelto desde entonces. más de una generación. Cuando el polvo científico se asiente a partir de este breve pero poderoso vórtice, sin duda serán las correlaciones actualizadas presentadas en esta contribución las que los investigadores serios e ingenieros en ejercicio utilizarán para predecir la transferencia de calor de las placas planas.

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