Fuerzas Viscosas y Pérdidas de E

Los flujos de los fluidos son irreversibles (en sentido termodinámico) dado que éstos tienen viscosidad y siempre que en el flujo aparezcan gradientes de velocidad, habrá disipación de energía mecánica debido a los esfuerzos viscosos. El flujo de energía mecánica se conserva sólo si en ninguna parte hay gradientes de velocidad, o si el fluido es sin viscosidad. Estas son las únicas condiciones en las que no hay disipación de energía mecánica. Sin embargo, en algunos casos los efectos de la fricción son pequeños en comparación con otros efectos. Por ejemplo, en el flujo a través de un conducto grande, donde las capas límite son muy delgadas, los efectos viscosos se confinan en una región muy pequeña y en ocasiones la fricción del fluido se puede ignorar. Este no es el caso de muchos flujos reales. En la mayoría de los flujos dentro del tubo y conductos, por ejemplo, los gradientes de velocidad se extienden por la sección transversal completa y los esfuerzos por fricción son importantes en todas partes.

Aun si las capas límite son delgadas como para considerarlas, cuando el flujo desacelera o intenta

cambiar de dirección con mucha rapidez, se puede separar. Cuando un flujo se separa, ya no sigue la forma de la frontera sólida. Por ejemplo, en el flujo que describe la figura, conforme el flujo entra en la sección divergente del conducto ("difusor") es difícil que siga la forma del conducto, por lo que continúa directo aguas abajo. Sobre las paredes del difusor se forma una región de flujo separado marcado por remolinos. En estas regiones, algo del fluido se mueve en sentido contrario a la dirección principal del flujo. Pueden registrarse grandes pérdidas, dado que la energía mecánica del fluido se emplea para mover grandes remolinos inestables que al final se disipan como calor. Este tipo de flujo puede ocurrir para ángulos de difusor muy pequeños. Para prevenir grandes pérdidas asociadas con la separación, el ángulo de divergencia debe ser muy pequeño: el ángulo θ necesita ser menor que aproximadamente 7º.

En contraste, cuando el flujo va en la dirección en que el área se reduce, como en las contracciones, hay muy poco riesgo de producir regiones de separación grandes, aun para valores muy grandes de θ 

(arriba de 45º), y en general, las pérdidas son muy pequeñas.

Observe que el flujo turbulento y la separación son dos fenómenos diferentes. En el flujo separado hay flujo de retroceso, de modo que algunas partes del fluido se mueven en dirección opuesta a la dirección principal del flujo, y puede haber inestabilidad significativa y fluctuaciones en el campo del flujo. En el flujo turbulento, todo el fluido se mueve en la dirección principal del flujo, aunque la velocidad fluctúa alrededor de un valor promedio y las fluctuaciones tienen componentes en las tres direcciones.

De lo anterior se concluye que debe tenerse especial cuidado al considerar los efectos de la fricción pues algunas veces son despreciables , y otras no. Sin embargo, cuando ocurre la separación, los efectos de la fricción y la pérdida de la energía mecánica son siempre importantes. Es notable que las esquinas agudas casi siempre produzcan flujo separado. los flujos en expansión y contracción súbita demuestran en forma gráfica el problema. La dirección de flujo influye mucho en el patrón de flujo y la energía mecánica perdida resultante. Se espera que el flujo en la expansión súbita cause mayores pérdidas que el flujo en la contracción súbita.