21.1 : Características generales del flujo en tuberías

El flujo en tuberías hace referencia al movimiento de fluidos dentro de conductos completamente cerrados, generalmente de forma cilíndrica, como las tuberías de agua o las mangueras hidráulicas. Estos conductos están diseñados para soportar gradientes de alta presión que impulsan el movimiento del fluido, a diferencia de los flujos en canales abiertos, donde la gravedad actúa como la fuerza impulsora principal. Por otro lado, los conductos rectangulares, como los sistemas de aire acondicionado y calefacción, suelen operar a presiones más bajas y resultan menos adecuados para aplicaciones de alta presión.

La clasificación del flujo de fluidos en tuberías fue iniciada por Osborne Reynolds a través de sus experimentos fundamentales de inyección de tinte. Reynolds identificó tres regímenes de flujo (laminar, transicional y turbulento) en función de la velocidad del fluido. A bajas velocidades, el tinte mantenía una línea de veta suave, lo que indica un flujo laminar, donde las partículas de fluido siguen caminos paralelos y ordenados. A medida que aumentaba la velocidad, el colorante comenzaba a oscilar, lo que marcaba el régimen de transición y, a velocidades más altas, se dispersaba de manera impredecible en el régimen turbulento, donde predomina el movimiento aleatorio y caótico.

Estas observaciones llevaron al desarrollo del número de Reynolds, una cantidad adimensional que indica el equilibrio de las fuerzas inerciales y viscosas en el flujo. El número de Reynolds se calcula en función de la velocidad del fluido, la densidad, la viscosidad y el diámetro de la tubería y sirve como indicador del tipo de flujo: laminar para valores inferiores a 2100, turbulento para valores superiores a 4000 y transicional en el rango intermedio. En el flujo laminar, la velocidad se mantiene constante a lo largo del tiempo, mientras que el flujo turbulento exhibe velocidades inestables y fluctuantes con componentes aleatorios perpendiculares al eje de la tubería. Al calcular el número de Reynolds, los ingenieros pueden predecir el comportamiento del flujo en sistemas de tuberías, lo que ayuda en el diseño y la optimización de tuberías, sistemas hidráulicos y redes de transporte de fluidos en diversas industrias.