Ya sea agua que fluye a través de una placa de condensador en una planta industrial, o aire silbando 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. Todavía, aspectos de este proceso han sido poco entendidos, y algunos se han enseñado incorrectamente a generaciones de estudiantes de ingeniería, muestra un nuevo análisis.

El estudio examinó varias décadas de investigación y análisis publicados sobre flujos de fluidos. Encontró que, mientras que la mayoría de los libros de texto de pregrado y la instrucción en el aula sobre transferencia de calor describen dicho flujo como si tuviera dos zonas diferentes separadas por una transición abrupta, de hecho, hay tres zonas distintas. Una zona de transición larga 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 los fluidos pueden fluir. Cuando el agua o el aire comienzan a fluir a lo largo de un piso, hoja sólida, se forma una fina capa límite. Dentro de esta capa, la parte más cercana a la superficie apenas se mueve debido a la fricción, la parte de arriba que fluye un poco más rápido, etcétera, hasta un punto en el que se mueve a la velocidad máxima del flujo original. Esta constante El aumento gradual de la velocidad a través de una capa límite delgada se denomina flujo laminar. Pero más abajo, el flujo cambia, rompiendo 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 centrales eléctricas.

A los estudiantes se les ha enseñado a calcular las características de dichos 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 de los datos experimentales publicados y descubrió que esta imagen ignora una parte importante del proceso. Los hallazgos se acaban de publicar 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 la zona de flujo laminar que la precede.

Los hallazgos podrían tener implicaciones para todo, desde el diseño de intercambiadores de calor para desalinización u otros procesos a escala industrial, para comprender el flujo de aire a través de los motores a reacción, Dice Lienhard.

De hecho, aunque, la mayoría de los ingenieros que trabajan en estos sistemas comprenden la existencia de una zona de transición larga, incluso si no está en los libros de texto de pregrado, Notas de Lienhard. Ahora, aclarando y cuantificando la transición, Este estudio ayudará a alinear la teoría y la enseñanza con la práctica de la ingeniería en el mundo real. "La noción de una transición abrupta ha estado arraigada en los libros de texto y las aulas de transferencia de calor durante los últimos 60 o 70 años, " él dice.

Las fórmulas básicas para comprender el flujo a lo largo de una superficie plana son los cimientos fundamentales para todas las situaciones de flujo más complejas, como el flujo de aire sobre un ala curva de un avión o un 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 funciona cualquiera de esas cosas, "Dice Lienhard.

La teoría de las superficies planas fue establecida por el investigador alemán Ernst Pohlhausen en 1921. Pero aun así, "Los experimentos de laboratorio generalmente no coincidían con las condiciones de contorno asumidas por la teoría. Una placa de laboratorio puede tener un borde redondeado o una temperatura no uniforme, así que los investigadores en la década de 1940, Años 50, y los 60 a menudo 'ajustaron' sus datos para forzar un acuerdo con esta teoría, ", dice. Las discrepancias entre los datos por lo demás buenos y esta teoría también llevaron a acalorados desacuerdos entre los especialistas en la literatura sobre transferencia de calor.

Lienhard descubrió que los investigadores del Ministerio del Aire británico habían identificado y resuelto 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 que se pudieran usar computadoras digitales, a partir de 1949 ". Mientras tanto, las discusiones entre especialistas seguían hirviendo.

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 jugó un papel importante. "Quería trazar datos con estas ecuaciones. De esa manera, los estudiantes podían ver qué tan bien funcionaban o no funcionaban las ecuaciones, ", dijo." Miré la literatura experimental desde 1930. La recopilación de estos datos dejó algo muy claro:lo que estábamos enseñando estaba terriblemente simplificado en exceso ". Y la discrepancia en la descripción del flujo de fluidos significó que los cálculos de la transferencia de calor a veces estaban apagados.

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