Remolí (dinàmica de fluids)

Un carrer de vòrtex al voltant d'un cilindre. Això pot ocórrer al voltant de cilindres i esferes, per a qualsevol fluid, mida de cilindre i velocitat del fluid, sempre que el flux tingui un nombre de Reynolds en el rang ~40 a ~1000.

En dinàmica de fluids, un remolí és el remolí d'un fluid i el corrent invers creat quan el fluid es troba en un règim de flux turbulent. El fluid en moviment crea un espai sense fluid que flueixi riu avall al costat riu avall de l'objecte. El fluid que hi ha darrere de l'obstacle flueix cap al buit creant un remolí de fluid a cada vora de l'obstacle, seguit d'un curt flux invers de fluid darrere de l'obstacle que flueix riu amunt, cap a la part posterior de l'obstacle. Aquest fenomen s'observa naturalment darrere de grans roques emergents en rius de flux ràpid.

Un remolí és un moviment de fluid que es desvia del flux general del fluid. Un exemple de remolí és un vòrtex que produeix aquesta desviació. Tanmateix, hi ha altres tipus de remolins que no són vòrtexs simples. Per exemple, una ona de Rossby és un remolí que és una ondulació que és una desviació del flux mitjà, però no té les línies de corrent tancades locals d'un vòrtex.

Remolins i remolins en enginyeria

La propensió d'un fluid a remolinar s'utilitza per promoure una bona barreja de combustible i aire en motors de combustió interna.

En mecànica de fluids i fenòmens de transport, un remolí no és una propietat del fluid, sinó un moviment violent de remolí causat per la posició i la direcció del flux turbulent.

Un diagrama que mostra la distribució de velocitat d'un fluid que es mou a través d'una canonada circular, per a flux laminar (esquerra), promediat en el temps (centre) i flux turbulent, representació instantània (dreta)

Nombre de Reynolds i turbulència

Experiment de Reynolds (1883). Osborne Reynolds dempeus al costat del seu aparell.

El 1883, el científic Osborne Reynolds va dur a terme un experiment de dinàmica de fluids amb aigua i colorant, on va ajustar les velocitats dels fluids i va observar la transició del flux laminar al turbulent, caracteritzat per la formació de remolins i vòrtexs. El flux turbulent es defineix com el flux en què les forces inercials del sistema són dominants sobre les forces viscoses. Aquest fenomen es descriu amb el nombre de Reynolds, un nombre sense unitats que s'utilitza per determinar quan es produirà un flux turbulent. Conceptualment, el nombre de Reynolds és la relació entre les forces inercials i les forces viscoses.

La forma general del nombre de Reynolds que flueix a través d'un tub de radi r (o diàmetre d ):

Fotografia de Schlieren que mostra la columna de convecció tèrmica que ascendeix d'una espelma ordinària en aire quiet. La columna és inicialment laminar, però la transició a turbulència es produeix al terç superior de la imatge. La imatge va ser feta per Gary Settles utilitzant un mirall de Schlieren d'un metre de diàmetre.

$$\mathrm {Re} ={\frac {2v\rho r}{\mu }}={\frac {\rho vd}{\mu }}$$

on v és la velocitat del fluid, ρ és la seva densitat, r és el radi del tub i μ és la viscositat dinàmica del fluid. Un flux turbulent en un fluid es defineix pel nombre crític de Reynolds, per a una canonada tancada això equival aproximadament a

$$\mathrm {Re} _{\text{c}}\approx 2000.$$

En termes del nombre crític de Reynolds, la velocitat crítica es representa com

$$v_{\text{c}}={\frac {\mathrm {Re} _{\text{c}}\mu }{\rho d}}.$$

Recerca i desenvolupament

Dinàmica de fluids computacional

Aquests són models de turbulència en què les tensions de Reynolds, obtingudes a partir d'una mitjana de Reynolds de les equacions de Navier-Stokes, es modelen mitjançant una relació constitutiva lineal amb el camp de deformació mitjà del flux, com a:

$$-\rho \langle u_{i}u_{j}\rangle =2\mu _{t}S_{i,j}-{\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}$$on

• $\mu _{t}$ és el coeficient anomenat "viscositat" de turbulència (també anomenat viscositat de remolí)
• ${\textstyle \kappa ={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\langle u_{1}u_{1}\rangle +\langle u_{2}u_{2}\rangle +\langle u_{3}u_{3}\rangle {\bigr )}}$ és l'energia cinètica turbulenta mitjana
• $S_{i,j}$ és la velocitat de deformació mitjana

Tingueu en compte que la inclusió de ${\tfrac {2}{3}}\rho \kappa \delta _{i,j}$ en la relació constitutiva lineal és requerida per l'àlgebra tensorial quan es resolen models de turbulència de dues equacions (o qualsevol altre model de turbulència que resolgui una equació de transport per a$\kappa$

Hemodinàmica

L'hemodinàmica és l'estudi del flux sanguini en el sistema circulatori. El flux sanguini en seccions rectes de l'arbre arterial sol ser laminar (tensió de paret alta i dirigida), però les branques i les curvatures del sistema provoquen un flux turbulent. El flux turbulent a l'arbre arterial pot causar diversos efectes preocupants, com ara lesions ateroscleròtiques, hiperplàsia neointimal postquirúrgica, restenosi intrastent, fallada de l'empelt de bypass venós, vasculopatia del trasplantament i calcificació de la vàlvula aòrtica.

Processos industrials

Les propietats de sustentació i arrossegament de les pilotes de golf es personalitzen mitjançant la manipulació de clotets al llarg de la superfície de la pilota, permetent que la pilota de golf viatgi més lluny i més ràpid a l'aire. Les dades dels fenòmens de flux turbulent s'han utilitzat per modelar diferents transicions en règims de flux de fluids, que s'utilitzen per barrejar completament fluids i augmentar les velocitats de reacció dins dels processos industrials.

Corrents de fluids i control de la contaminació

Els corrents oceànics i atmosfèrics transfereixen partícules, deixalles i organismes arreu del món. Mentre que el transport d'organismes, com el fitoplàncton, és essencial per a la preservació dels ecosistemes, el petroli i altres contaminants també es barregen en el flux de corrent i poden transportar la contaminació lluny del seu origen. Les formacions de remolins fan circular les escombraries i altres contaminants cap a zones concentrades que els investigadors estan rastrejant per millorar la neteja i la prevenció de la contaminació. La distribució i el moviment dels plàstics causats per les formacions de remolins en masses d'aigua naturals es poden predir mitjançant models de transport lagrangià. Els remolins oceànics de mesoescala tenen un paper crucial en la transferència de calor cap als pols, així com en el manteniment dels gradients de calor a diferents profunditats.

Fluxos ambientals

Modelar el desenvolupament de remolins, en relació amb els fenòmens de turbulència i transport de destí, és vital per comprendre els sistemes ambientals. En comprendre el transport tant de partícules com de sòlids dissolts en fluxos ambientals, els científics i els enginyers podran formular de manera eficient estratègies de remediació per a esdeveniments de contaminació. Les formacions de remolins tenen un paper vital en el destí i el transport de soluts i partícules en fluxos ambientals com ara en rius, llacs, oceans i l'atmosfera. L'aflorament en estuaris costaners estratificats justifica la formació de remolins dinàmics que distribueixen els nutrients des de sota la capa límit per formar plomes. Les aigües poc profundes, com les de la costa, tenen un paper complex en el transport de nutrients i contaminants a causa de la proximitat del límit superior impulsat pel vent i el límit inferior prop del fons del cos d'aigua.

Remolins oceànics de mesoescala

A sotavent dels obstacles, en aquest cas, Madeira i les Illes Canàries davant la costa occidental africana, els remolins creen patrons turbulents anomenats carrers de vòrtex.

Els remolins són comuns a l'oceà i el seu diàmetre varia des de centímetres fins a centenars de quilòmetres. Els remolins de menor escala poden durar uns segons, mentre que els més grans poden persistir durant mesos o anys.

Remolins d'entre 10 i 500 km (6.2 i 310.7 mi) de diàmetre i persisteixen durant períodes de dies a mesos, es coneixen en oceanografia com a remolins de mesoscala.

Els remolins de mesoescala es poden dividir en dues categories: remolins estàtics, causats pel flux al voltant d'un obstacle (vegeu l'animació) i remolins transitoris, causats per la inestabilitat baroclínica.

Quan l'oceà conté un gradient d'alçada de la superfície del mar, això crea un corrent en jet, com ara el corrent circumpolar antàrtic. Aquest corrent, com a part d'un sistema baroclínicament inestable, serpenteja i crea remolins (de la mateixa manera que un riu serpentejant forma un llac en forma de meandre). Aquests tipus de remolins de mesoscala s'han observat en molts dels principals corrents oceànics, com ara el corrent del Golf, el corrent d'Agulhas, el corrent de Kuroshio i el corrent circumpolar antàrtic, entre d'altres.

Els remolins oceànics de mesoescala es caracteritzen per corrents que flueixen en un moviment aproximadament circular al voltant del centre del remolí. El sentit de rotació d'aquests corrents pot ser ciclònic o anticiclònic (com els remolins Haida). Els remolins oceànics també solen estar formats per masses d'aigua diferents de les de fora del remolí. És a dir, l'aigua dins d'un remolí sol tenir característiques de temperatura i salinitat diferents de l'aigua de fora del remolí. Hi ha una relació directa entre les propietats de la massa d'aigua d'un remolí i la seva rotació. Els remolins càlids giren anticiclònicament, mentre que els remolins freds giren ciclònicament.

Com que els remolins poden tenir una circulació vigorosa associada, són una preocupació per a les operacions navals i comercials al mar. A més, com que els remolins transporten aigua anòmalament calenta o freda a mesura que es mouen, tenen una influència important en el transport de calor en certes parts de l'oceà.