Flujo laminar en ingeniería química

El flujo laminar es un tipo de flujo de fluido (gas o líquido) en donde el fluido viaja a través de un conducto (por ejemplo, el interior de una tubería) de forma suave o en caminos regulares.

Flujo laminar creado de manera artificial. Imagen de pinterest

Este concepto es muy importante en mecánica de fluidos y en transferencia de calor. En ingeniería química, generalmente, se estudia el flujo de fluidos a través de tuberías, siendo un concepto fundamental en el estudio de los fenómenos de transporte.

En este artículo definiremos al flujo laminar, desde el punto de vista de los fenómenos de transporte, y describiremos cómo predecir si el flujo es laminar.

Tabla de contenidos

Definición de flujo laminar

Definición gráfica explicativa del flujo laminar

Definición de flujo laminar en tuberías. Imagen de slideserve

Podemos definir al flujo laminar como:

El flujo laminar es un fluido que tiene una viscosidad muy alta, es un tipo de fluido que tiende a presentar una velocidad de flujo baja y con una resistencia al flujo dependiente, casi en su totalidad, de la viscosidad del fluido.

Podemos decir entonces, que el flujo laminar es aquel tipo de flujo que fluye con orden y suavidad dentro de un conducto, como es el caso de las tuberías o canales. El flujo laminar se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse, de modo, que las partículas individuales del fluido siguen una trayectoria que comúnmente suele llamarse línea de corriente. Cabe destacar, que en el flujo laminar el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular y se cumple la ley de viscosidad de Newton.

En el flujo laminar, la velocidad, la presión y otras propiedades del flujo tienden a permanecer constantes en cada punto del fluido. El flujo laminar sobre una superficie horizontal puede consistir en capas delgadas o láminas paralelas entre sí, el fluido en contacto con la superficie horizontal es estacionario, pero todas las demás capas se deslizan unas sobre otras.

Cuando el flujo laminar se produce dentro de una tubería recta puede considerarse como el movimiento relativo de cilindros concéntricos de fluido, el cilindro exterior fijado en la pared de la tubería y los demás cilindros moviéndose a velocidades crecientes a medida que se acercan al centro de la tubería.

El flujo laminar es común sólo en los casos en donde el canal de flujo es relativamente pequeño, la viscosidad es alta y el flujo se mueve lentamente.

Predicción del flujo laminar

Para poder predecir si el flujo que se está estudiando es laminar se utiliza un parámetro, el cual, es función de la viscosidad del fluido. Este parámetro es conocido como Número de Reynolds y lo definiremos a continuación:

Número de Reynolds

Experimento de Reynolds y el flujo laminar. Imagen de hydrauliccalculation

El Número de Reynolds es un parámetro que relaciona las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas para poder estimar la condición del flujo y predecir si este flujo es laminar o no.

La expresión matemática para estimar el Número de Reynolds en el caso de estudio más común en ingeniería química, que es el flujo de fluido dentro de una tubería, es la siguiente:

Donde:

ρ: Densidad del fluido.
v: Velocidad del fluido.
D: Diámetro de la tubería.
μ: Viscosidad dinámica del fluido.

Cabe destacar, que el Número de Reynolds es un parámetro adimensional que está compuesto por las características del fluido.

¿Cómo sabemos si el flujo es laminar?

Cuando estamos en presencia de flujos lentos, las fuerzas viscosas son dominantes, manteniendo las partículas del fluido en línea recta. En este caso, podemos decir que el flujo es laminar. Matemáticamente, podemos estimar el tipo de flujo según el valor del Número de Reynolds. A valores menores de Reynolds, tendremos flujo laminar. Como punto de referencia, se tiene que para un valor de Número de Reynolds menor a 2000, podemos decir con certeza que estamos frente a un flujo laminar.

Para valores del Número de Reynolds que van entre 2000 y 3500, el fluido entra en una zona de transición en donde se puede apreciar la aparición de turbulencia, cambiando las condiciones hacia lo que sería el flujo turbulento, que generalmente, representa a la mayoría de los flujos con los que se trabaja en ingeniería.

Resumen del flujo laminar

Perfil de velocidad del flujo laminar

Podemos resumir al flujo laminar en la siguiente lista:

Número de Reynolds menor a 2000.
Bajas velocidades de fluido.
Movimiento lineal de las partículas de fluido.
El fluido se mueve en capas unas sobre otras.
Casi no se presenta mezcla entre capas de fluido.
Perfil de velocidad parabólico en tuberías circulares.
La velocidad media del fluido es, aproximadamente, la mitad de la velocidad máxima que presenta el fluido dentro de la tubería.
Permite realizar análisis matemáticos simples.
El flujo laminar es muy raro en la práctica.

Conclusiones

Podemos concluir lo siguiente:

El flujo laminar es el tipo de movimiento de un fluido que se encuentra completamente ordenado durante su movimiento, además este tránsito es suave y estratificado, de modo, que el fluido se mueve en capas o láminas paralelas que no se mezclan entre sí.
El flujo laminar es poco común en situaciones cotidianas.
El flujo laminar depende de la velocidad baja del fluido y de su viscosidad.
El valor del Número de Reynolds para un fluido permite estimar si este se encuentra en flujo laminar.

Como podemos ver, el flujo laminar es un concepto muy importante para el estudio de los fenómenos de transporte, por lo tanto, siempre hay que tenerlo en cuenta en las estimaciones de manejo de fluidos. Los invito a comentar la nota para establecer intercambio de ideas y complementar conceptos.