Turbulencia
En dinámica de fluidos , la turbulencia o el flujo turbulento es un movimiento de fluidos caracterizado por cambios caóticos en la presión y la velocidad del flujo . Está en contraste con un flujo laminar , que ocurre cuando un fluido fluye en capas paralelas, sin interrupción entre esas capas. [1]
La turbulencia se observa comúnmente en fenómenos cotidianos como el oleaje , ríos que fluyen rápidamente, nubes de tormenta ondulantes o humo de una chimenea, y la mayoría de los flujos de fluidos que ocurren en la naturaleza o se crean en aplicaciones de ingeniería son turbulentos. [2] [3] : 2 La turbulencia es causada por una energía cinética excesiva en partes del flujo de un fluido, que supera el efecto amortiguador de la viscosidad del fluido. Por esta razón, la turbulencia se presenta comúnmente en fluidos de baja viscosidad. En términos generales, en el flujo turbulento aparecen vórtices inestables de muchos tamaños que interactúan entre sí, por lo que aumenta el arrastre debido a los efectos de la fricción. Esto aumenta la energía necesaria para bombear fluido a través de una tubería.
El inicio de la turbulencia se puede predecir mediante el número adimensional de Reynolds , la relación entre la energía cinética y el amortiguamiento viscoso en un flujo de fluido. Sin embargo, la turbulencia se ha resistido durante mucho tiempo al análisis físico detallado y las interacciones dentro de la turbulencia crean un fenómeno muy complejo. Richard Feynman ha descrito la turbulencia como el problema sin resolver más importante de la física clásica. [4]
La intensidad de la turbulencia afecta a muchos campos, por ejemplo, la ecología de los peces, [5] la contaminación del aire [6] y la precipitación. [7]
¿Es posible hacer un modelo teórico para describir el comportamiento de un flujo turbulento, en particular, sus estructuras internas?
La difusión turbulenta generalmente se describe mediante un coeficiente de difusión turbulenta . Este coeficiente de difusión turbulenta se define en sentido fenomenológico, por analogía con las difusividades moleculares, pero no tiene un verdadero significado físico, siendo dependiente de las condiciones del flujo, y no una propiedad del fluido mismo. Además, el concepto de difusividad turbulenta asume una relación constitutiva entre un flujo turbulentoy el gradiente de una variable media similar a la relación entre flujo y gradiente que existe para el transporte molecular. En el mejor de los casos, esta suposición es solo una aproximación. Sin embargo, la difusividad turbulenta es el enfoque más simple para el análisis cuantitativo de los flujos turbulentos y se han postulado muchos modelos para calcularla. Por ejemplo, en grandes masas de agua como los océanos, este coeficiente se puede encontrar usando la ley de potencia de cuatro tercios de Richardson y se rige por el principio de caminata aleatoria . En ríos y grandes corrientes oceánicas, el coeficiente de difusión viene dado por variaciones de la fórmula de Elder.
