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Descarga a la atmosfera de un chorro turbulento

Introducción

El flujo turbulento es más comúnmente desarrollado debido a que la naturaleza tiene tendencia hacia el desorden y esto en términos de flujos significa tendencia hacia la turbulencia. Este tipo de flujo se caracteriza por trayectorias circulares erráticas, semejantes a remolinos. El flujo turbulento ocurre cuando las velocidades de flujo son generalmente muy altas o en fluidos en los que las fuerzas viscosas son muy pequeñas.

La turbulencia puede originarse por la presencia de paredes en contacto con el fluido o por la existencia de capas que se muevan a diferentes velocidades. Además, un flujo turbulento puede desarrollarse bien sea en un conducto liso o en un conducto rugoso.

El flujo turbulento se caracteriza porque el fluido continuamente se mezcla, de forma caótica, como consecuencia de la ruptura de un flujo ordenado de vórtices, que afectan zonas en dirección del movimiento. El flujo del agua en los ríos o el movimiento del aire cerca de la superficie de la tierra son ejemplos típicos de flujos turbulentos.






Marco teórico
La turbulencia en los movimientos atmosféricos tiene una importancia muy destacada, como se ha reconocido desde principios del siglo XX, por los científicos dedicados al estudio de la Atmósfera, ya que está presente en todos los movimientos cercanos al suelo y en otras capas que puedan estar sometidas a importantes cizallas o fenómenos de tipo térmico. Sus efectos son evidentes en la redistribución de la energía desde las grandes escalas a las pequeñas, antes de la disipación en calor. Además, el transporte de magnitudes físicas tales como el momento, calor, humedad, etc., está dominado por flujos turbulentos, y la mezcla, de las propiedades físicas y químicas, se ve favorecida bajo condiciones de movimiento turbulento. La dispersión depende fuertemente de las propiedades estadísticas del flujo, tales como valores promedio, varianzas y densidades espectrales. El estudio de la turbulencia en la Atmósfera es complicado y requiere la utilización de sofisticados equipos de medida, que nunca llegan a ser lo suficientemente completos por las dimensiones de ésta. Por otro lado, la imposibilidad de controlar las condiciones más apropiadas en la experimentación directa, hace difícil el trabajo. Sin embargo, la modelización de aspectos concretos relativos a fenómenos turbulentos, tanto en el laboratorio, como mediante simulación numérica, permite su estudio de forma detallada, describiendo el comportamiento del flujo y posibilitando el planteamiento de hipótesis que justifiquen el mismo.
La dificultad más importante en el empleo de modelos es su interpretación y extensión al caso real. Por esta razón, para evitar precisamente mayores complicaciones, se utilizan, como norma general, las técnicas de análisis dimensional donde las variables manejadas en todos los estudios se presentan en forma adimensional, permitiendo, por tanto, la comparación entre diferentes escalas y condiciones del problema. La Capa Límite Atmosférica, es la región más próxima a la superficie de la Tierra donde su influencia se hace notar y donde los movimientos turbulentos están prácticamente presentes en todo momento. En ella se produce de forma notable la transferencia de magnitudes físicas, y como consecuencia tiene lugar la mezcla de todas ellas, tendiendo a una homogeneización de la capa. Precisamente por esta razón, en ocasiones, se denomina a esta capa como capa de mezcla.
Pero no sólo en la Capa Límite Atmosférica se presenta este fenómeno, también en lugares donde las condiciones dinámicas o térmicas tienen ciertas características, pueden observarse situaciones semejantes. En particular, allí donde exista un gradiente significativo en la velocidad del flujo, por ejemplo chorros, o donde las diferencias de densidad sean importantes, puede generarse un flujo turbulento y, por tanto, la mezcla de las propiedades se verá favorecida. Un caso interesante, donde se cumplen estas circunstancias, es el de ventilación de un edificio, es decir, el del movimiento de una masa aire que penetra en un recinto, en particular en una habitación, y que influye en el confort de los habitantes que puedan encontrase dentro de la misma.
Los efectos de la ventilación dentro de una edificación están gobernados fundamentalmente por tres mecanismos que tienden, en todos los casos, a disminuir la temperatura y hacer variar otras magnitudes en su interior. No obstante, el efecto térmico puede ser el contrario si la temperatura de la masa que entra es suficientemente grande, aunque no es el caso habitual, obviamente. El primer mecanismo se basa en que bajo determinadas condiciones, el flujo de aire que entra en una habitación puede compensar la ganancia de calor solar e interno, reemplazando el aire caliente de dentro por aire más frío de fuera, con lo cual disminuye la temperatura del aire en el interior. El segundo mecanismo se fundamenta en que el flujo de aire a través de un edificio, puede enfriar su estructura transportando el calor sensible almacenado en su masa térmica (paredes, estructuras arquitectónicas, mobiliario, etc.), dando lugar a una disminución de la temperatura en su conjunto. Por último, el tercer mecanismo se basa en considerar que los movimientos inducidos en el interior de una habitación pueden, también, enfriar directamente a los ocupantes de la misma debido, por un lado, a la pérdida de calor de evaporación de los cuerpos que ocupan la habitación, y por otro a la redistribución de temperatura por convección.
Este último mecanismo requiere la predicción del movimiento de la masa de aire en el interior de una habitación, ya que el movimiento del aire es el fenómeno que tiene una mayor eficiencia en el intercambio de las magnitudes que caracterizan su estado físico, tales como la temperatura, humedad, concentración de gases extraños, partículas materiales en suspensión, etc
La turbulencia es un fenómeno físico muy frecuente en la naturaleza y en la tecnología, y a pesar del esfuerzo dedicado por parte de muchos científicos durante décadas, el porqué un fluido pasa en un determinado momento de comportarse de una manera ordenada, a ser un fluido con movimientos desordenados o incluso caóticos, no deja de ser fuente de continuo estudio.
El movimiento turbulento es fuertemente rotacional y el recorrido de los elementos fluidos es extremadamente tortuoso, incluso cuando el fluido en su conjunto se mueve de forma estacionaria. Según el criterio de Reynolds se puede suponer que el flujo turbulento consiste en un movimiento medio, relativamente simple, sobre el que se superpone un movimiento secundario de carácter oscilatorio, pero no periódico, con un importante peso aleatorio. Para diferenciar ambos movimientos, podemos establecer que flujo no turbulento es aquél en el que las irregularidades en el movimiento de un elemento fluido son despreciables. El flujo turbulento, sin embargo, contiene oscilaciones de tamaño finito comparables con longitudes que determinan la cinemática del movimiento medio.
Los flujos que se presentan en el interior de una habitación pueden ser de dos tipos: flujos primarios como chorros, penachos...., y flujos secundarios que son aquellos que ocupan todo el volumen de la habitación y que, en general, no tienen ni un origen ni una dirección clara (Etheridge and Sandberg, 1996). Ambos tipos de flujos tienen carácter turbulento, aunque en los flujos secundarios esto no es siempre cierto, sobre todo cuando la flotabilidad y las bajas velocidades se dan al mismo tiempo.
Aunque la turbulencia es difícil de definir, la definición más general es aquella que la considera como un flujo que está acompañado por fluctuaciones desordenadas de todas las variables del fluido (velocidad, presión, temperatura etc.) y se caracteriza por ser siempre, tridimensional con lo cual si el flujo medio es predominantemente en una dirección, las fluctuaciones ocurren en todas direcciones. En consecuencia, un flujo turbulento podemos imaginarlo como un flujo con numerosos remolinos de varios tamaños o escalas, en donde el tamaño del remolino se encuentra limitado, en general, por la dimensión del campo de velocidades del flujo y por la acción difusiva de la viscosidad molecular.
Un chorro es el tipo de flujo, más importante, que se presenta en ventilación de edificios o habitaciones y se define como la descarga de un fluido desde una abertura al interior de un recinto en donde, claramente, está definida una velocidad distinta a la de sus alrededores (Fischer et al 1979). Un chorro cuya temperatura es igual a la temperatura ambiente de la habitación sobre la que incide se les llama chorro isotérmico; por el contrario cuando la temperatura del chorro es diferente de la temperatura ambiente de la habitación se les llama chorro no isotérmico aunque en mecánica de fluidos, a esta clase de chorro, se les conoce como chorro de flotabilidad debido a que en ellos el momento y la flotabilidad están presentes (Rajaratnam, 1976).
Existen diversos factores que determinan que el flujo de un chorro presente régimen laminar o turbulento. El número de Reynolds es el número adimensional a partir del cual se puede estudiar el carácter turbulento del flujo. En estudios realizados sobre flujos turbulentos, se han encontrado chorros turbulentos con un número de Reynolds del orden de 2 × 103 aunque existen trabajos en los que se pone de manifiestos que la turbulencia no está totalmente desarrollada hasta valores del número de Reynolds de alrededor de 4 × 103 (Rajaratnam, 1976).
Cuando un chorro se introduce mediante una abertura en el interior de un recinto o habitación y las paredes no influyen sobre su desarrollo, el chorro recibe el nombre de chorro libre. Sin embargo, si los límites de la habitación influyen sobre dicho desarrollo, al chorro se le llama chorro ligado o chorro de pared (en nomenclatura anglosoajona llamado “wall jet”). En consecuencia, un chorro puede entrar en una habitación como un chorro.
Materiales y equipos utilizados en la práctica:
Túnel de viento vertical “TECQUIPMENT”
Multimanómetro diferencial.
Caja de remanso
Sonda pitot
Procedimientos experimentales
Se procedió a comenzar la lectura de datos de la sonda pitot y de la caja de remanso con una distancia de 10cm de separación entre el chorro y la sonda pitot, comenzando desde el centro hasta una distancia no mayor a los 30 mm.
Consecutivamente se repitió el procedimiento a una distancia de 20cm entre la sonda pitot y el chorro descargado a la atmosfera












Datos recopilados.
0mm 10mm 20mm 30mm
(10cm) A 66 66 66 66
B 60 50 9 0
(20cm) A 66 66 66 66
B 48 30 10 2

Donde
A: medidas en la caja de remanso
B: medidas en la sonda pitot
Observaciones adicionales.
Presión atmosférica: 94kpal
Temperatura del laboratorio (inicial-final): 31°C
Formulario
Patm=94Kpa U∞=√((Premanso-Pitot)/(1/2.l)) Re= (U∞.L.ρ)/μ ρ =.ρ.g.h ρ=0,784kg/m^3 Diámetro del cono=0,06m

T inicial X1 = 30 °C--------------- 1,164= Y1
T final X2 = 35 °C--------------- 1,145 = Y2
X = 31°C -------------- Y

Y = Y1 + ((Y2-Y1)/(X2-X1)).(X-X1) = 1, 167kg/m3= l
T inicial X1 = 30 °C--------------- 1,872 x 10EXP-5= Y1
T final X2 = 35 °C--------------- 1,895 x 10EXP-5 = Y2
X = 31°C -------------- Y
Y = Y1 + ((Y2-Y1)/(X2-X1)).(X-X1) = 1, 867x 10EXP-5 kg/m.s = μ

Medidas con el tubo de pitot
0m 0,01m 0,02m 0,03m
0,06 0,05 9x〖10〗^(-3) 0
0,048 0,03 0,01 2x〖10〗^(-3)

P remanso=0,066
P a=0,460kg/m.s^2 P e=0,368 kg/m.s^2
P b=0,384 kg/m.s^2 P f=0,230 kg/m.s^2
P c=0,069 kg/m.s^2 P g=0,076 kg/m.s^2
P d=0 kg/m.s^2 P h=0,015 kg/m.s^2
Valores de U∞
0,821 e) 0,719
0,738 f) 0,530
0,071 g) 0,130
d) 1,135 h) 1,117

x y
0 0,368
0,01 0,23
0,02 0,076
0,03 0,015

x y
0 0,46
0,01 0,384
0,02 0,069
0,03 0


Análisis de resultados.
Una turbulencia atmosférica es una agitación de la atmósfera, que se aprecia en una capa, próxima al suelo y de espesor variable; se caracteriza por un cambio repentino de dirección e intensidad del viento en una corta distancia en sentido vertical. Frecuentemente se clasifican las turbulencias según la causa que las origina en este caso basándonos en los conocimientos adquiridos durante la práctica podemos acotar que la Turbulencia frontal, se genera al paso de un frente frío que se desplaza rápidamente, ocasiona ráfagas de hasta 1000'/m y se le conoce también como ráfagas pre-frontales.
Algunos tipos comunes de turbulencia son:
Estela turbulenta, se produce por la diferencia entre el intradós y el extradós del perfil alar formando dicho fenómeno.
Turbulencia de aire claro o sus siglas en inglés CAT (Clear Air Turbulence):
Tipo de turbulencia severa el cual ocurre a partir de los 15.000 pies; sus características son: sin indicaciones físicas como polvo partículas etc., ocurre por la interacción de diferentes capas de aire con diferentes velocidades asociadas a corrientes convectivas se asocian con unos tipos de vientos llamados jetstream.

conclusión personal: “En conclusión a medida que se aleja el chorro de la sonda pitot el cono de la estela va aumentando, esto pasa debido a que a mayor distancia tiene el chorro de la atmosfera mayor será el cambio en el comportamiento del chorro turbulento hacia la atmosfera”

conclusión personal:Con el estudio de las velocidades de corriente libre descarga del chorro mediante el túnel de viento vertical y el tubo de pitot a ciertas distancias, se concluyó del experimento que mientras más distancia del chorro con respecto a la atmosfera mayor seria el comportamiento del chorro en turbulencia hacia la atmosfera.
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