Separació de flux

Flux d'aire que se separa d'una ala amb un angle d'atac elevat

En dinàmica de fluids, la separació de flux o separació de la capa límit és el despreniment d'una capa límit d'una superfície cap a un estel.

Una capa límit existeix sempre que hi ha un moviment relatiu entre un fluid i una superfície sòlida amb forces viscoses presents a la capa de fluid propera a la superfície. El flux pot ser externament, al voltant d'un cos, o internament, en un passatge tancat. Les capes límit poden ser laminars o turbulentes. Es pot fer una avaluació raonable de si la capa límit serà laminar o turbulenta calculant el nombre de Reynolds de les condicions de flux locals.

La separació es produeix en un flux que s'alenteix, amb una pressió que augmenta, després de passar la part més gruixuda d'un cos de línia de corrent o de passar per un conducte que s'eixampla, per exemple.

Fluir contra una pressió creixent es coneix com a fluir en un gradient de pressió advers. La capa límit se separa quan ha viatjat prou lluny en un gradient de pressió advers com per a què la velocitat de la capa límit respecte a la superfície s'hagi aturat i hagi invertit la direcció. El flux es desprèn de la superfície i, en canvi, pren la forma de remolins i vòrtexs. El fluid exerceix una pressió constant sobre la superfície un cop s'ha separat en lloc d'una pressió que augmenta contínuament si encara hi està unit. En aerodinàmica, la separació del flux provoca una reducció de la sustentació i un augment de l'arrossegament de pressió, causat pel diferencial de pressió entre les superfícies frontal i posterior de l'objecte. Provoca vibracions a les estructures i superfícies de control de les aeronaus. En els passatges interns, la separació provoca bloquejos i vibracions a les pales de la maquinària i un augment de les pèrdues (menor eficiència) a les entrades i compressors. S'han dedicat molts esforços i investigacions al disseny de contorns de superfícies aerodinàmiques i hidrodinàmiques i s'han afegit característiques que retarden la separació del flux i mantenen el flux unit el màxim temps possible. Alguns exemples són el pelatge d'una pilota de tenis, els clotets d'una pilota de golf, els turbuladors d'un planador, que indueixen una transició primerenca a un flux turbulent; els generadors de vòrtex dels avions.

Gradient de pressió advers

Representació gràfica del perfil de velocitat a la capa límit. L'últim perfil representa el flux invers, que mostra el flux separat.

La inversió del flux és causada principalment per un gradient de pressió advers imposat a la capa límit pel flux potencial extern. L'equació de moment a nivell del corrent dins de la capa límit s'expressa aproximadament com

$u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}$

on $s,y$ són coordenades normals i transversals. Un gradient de pressió advers és quan $dp/ds>0$, que aleshores es pot veure que causa la velocitat $u$ disminuir al llarg $s$ i possiblement anar a zero si el gradient de pressió advers és prou fort.

Influència dels paràmetres

La tendència d'una capa límit a separar-se depèn principalment de la distribució del gradient de velocitat de vora advers o negatiu. $du_{o}/ds(s)<0$ al llarg de la superfície, que al seu torn està directament relacionada amb la pressió i el seu gradient mitjançant la forma diferencial de la relació de Bernoulli, que és la mateixa que l'equació de moment per al flux no viscós exterior.

$\rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}$

Però les magnituds generals de $du_{o}/ds$ Els valors necessaris per a la separació són molt més grans per al flux turbulent que per al flux laminar, ja que el primer pot tolerar una desacceleració del flux gairebé d'un ordre de magnitud més forta. Una influència secundària és el nombre de Reynolds. Per a un valor advers determinat $du_{o}/ds$ distribució, la resistència de separació d'una capa límit turbulenta augmenta lleugerament a mesura que augmenta el nombre de Reynolds. En canvi, la resistència de separació d'una capa límit laminar és independent del nombre de Reynolds, un fet una mica contraintuïtiu.

Separació interna

Un esquema de la separació de la capa límit interna

La separació de la capa límit es pot produir per a fluxos interns. Pot ser el resultat de causes com ara un conducte de canonada que s'expandeix ràpidament. La separació es produeix a causa d'un gradient de pressió advers que es troba a mesura que el flux s'expandeix, provocant una regió estesa de flux separat. La part del flux que separa el flux de recirculació i el flux a través de la regió central del conducte s'anomena línia de corrent divisòria. El punt on la línia de corrent divisòria es torna a unir a la paret s'anomena punt de reunió. A mesura que el flux va més avall, finalment aconsegueix un estat d'equilibri i no té flux invers.

Efectes de la separació de la capa límit

Quan la capa límit se separa, les seves restes formen una capa de cisallament i la presència d'una regió de flux separada entre la capa de cisallament i la superfície modifica el flux potencial exterior i el camp de pressió. En el cas dels perfils aerodinàmics, la modificació del camp de pressió provoca un augment de la resistència a la pressió i, si és prou greu, també provocarà la pèrdua de sustentació i la pèrdua de sustentació, totes elles indesitjables. Per als fluxos interns, la separació del flux produeix un augment de les pèrdues de flux i fenòmens de tipus bloqueig, com ara la sobrecàrrega del compressor, tots dos fenòmens indesitjables.

Un altre efecte de la separació de la capa límit són els vòrtexs de despreniment regulars, coneguts com a carrer de vòrtex de Kármán. Els vòrtexs es desprenen des de la superfície penya-segada aigües avall d'una estructura a una freqüència que depèn de la velocitat del flux. El despreniment de vòrtex produeix una força alterna que pot provocar vibracions a l'estructura. Si la freqüència de despreniment coincideix amb una freqüència de ressonància de l'estructura, pot causar una fallada estructural. Aquestes vibracions es podrien establir i reflectir a diferents freqüències segons el seu origen en cossos sòlids o fluids adjacents i podrien esmorteir o amplificar la ressonància.