Alfredo Pintos/ Colaboración para UNO
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Los cálculos con flujos turbulentos, con o sin transferencia de calor, tienen un campo de aplicación amplio y variado, como en el diseño automotriz, en refrigeración, en la ingeniería de innumerables procesos mecánicos, metalúrgicos o químicos.
 

Algunos ejemplos de aplicación en Entre Ríos podrían ser estudiar la ambientación en criaderos de pollos para solucionar el problema del estrés térmico, analizar y optimizar procesos con movimiento de fluidos y transferencia de calor en la industria lechera o alimenticia en general.
 

Los seres humanos pasamos la vida rodeados y en contacto con el movimiento de fluidos líquidos o gases. El agua que bebemos fluye de una canilla. La sangre se mueve dentro de nuestro cuerpo a través de venas. Los vehículos que usamos se desplazan a través de la atmósfera. Respiramos aire, que contiene restos de la combustión de esos vehículos. Por ese motivo, muchos de los temas relacionados con las ingenierías mecánica, química, metalúrgica, por citar algunas, así como con la medicina, física, biología, entre otras áreas de la ciencia, no pueden ser analizados sin un detallado conocimiento del movimiento de los fluidos o dinámica de fluidos.
 

En la UTN Paraná, se está desarrollando una investigación en flujos turbulentos, proponiendo nuevos modelos de simulación de la transferencia de calor por la turbulencia. Para ello usa el grado de similitud que pudiera existir entre las transferencias turbulentas de cantidad de movimiento y calor.
 

En determinadas condiciones de un flujo turbulento, desarrollado con transferencia de calor, existe similitud entre la transferencia turbulenta de cantidad de movimiento y calor, la cual en parte se rompe si el mismo es perturbado. Por tanto, estudiando los orígenes y causas de esa disimilaridad en diferentes situaciones, permitiría modelar la transferencia turbulenta de calor, en función de la transferencia turbulenta de cantidad de movimiento.
 

La teoría pertenece a Hugo Pasinato, nacido en Lucas González, Departamento Nogoyá, hace 58 años. Es ingeniero en Recursos Hídricos, graduado en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas de la Universidad Nacional del Litoral. Se especializó en Ingeniería Mecánica, hizo una maestría en Hidráulica en la Universidad Federal de Río Grande Do Sul de Porto Alegre, Brasil; luego en la Universidad Católica de Río de Janeiro, Brasil, logró el doctorado en Ingeniería Mecánica y en la Universidad Estatal de Arizona, Estados Unidos, e hizo un posdoctorado trabajando como investigador. Su ingreso a la Universidad Tecnológica Nacional (UTN) fue en la Unidad Académica Confluencia hoy Facultad Regional del Neuquén en 2005. Trabajó ocho años en el Departamento de Ingeniería Química donde dictó dos cátedras, Fenómenos de Transporte y Termodinámica. Pero las raíces llaman y siempre pensó que si tenía la posibilidad de aportar algo le gustaría hacerlo en Entre Ríos. Ahora en la Facultad Regional Paraná de UTN cumple funciones como docente investigador en la cátedra de Mecánica de Fluidos cuyo titular es el ingeniero Mauricio Friedrich.
 

—¿Qué es la turbulencia y por qué estudia este fenómeno?
—En la mecánica de fluidos hay dos modalidades de flujo, uno laminar, ordenado y suave y otro, el turbulento, oscilante y caótico. Para un flujo laminar hay menos dificultades, muchas de la soluciones son analíticas. El problema que presenta la turbulencia es que no existe ningún modelo general que la represente y permita afirmar “este es el modelo matemático de un flujo turbulento”. En este caso se cuenta con la ventaja de conocer las ecuaciones, denominadas de la mecánica de fluido o ecuaciones generales del movimiento de un fluido.
 

Usando esas ecuaciones y realizando muchos cálculos se puede, por ejemplo, conocer el flujo en una tubería o el movimiento del aire dentro de una habitación. Si el flujo es laminar, es simple, y la solución puede ser analítica. Si es turbulento hay que obtenerla en forma numérica, discretizando el espacio (dividir el espacio físico en pequeños volúmenes). La mayor dificultad es que la cantidad de pequeños volúmenes puede ser enorme, para lo cual se necesitaría una computadora importante o un cluster de computadoras (conjunto de computadoras trabajando en paralelo).
 

Para reducir ese importante número de subdivisiones, una solución consiste en filtrar las altas oscilaciones de un flujo turbulento y reemplazar su efecto por modelos. Esto disminuye mucho el volumen de cálculo. Sin embargo se está ante una solución de compromiso, entre filtrar mucho y usar un modelo complejo, o filtrar poco y usar uno simple. Estos modelos que sustituyen parte o todo el efecto del mezclado y transporte que realiza un flujo turbulento, han sido y son parte del núcleo de la investigación que se realiza sobre turbulencia en todo el mundo desde hace varias décadas. Sin embargo es un problema muy difícil y se consiguen resultados a cuentagotas.
 

Los cálculos con flujos turbulentos, con o sin transferencia de calor, tienen un campo de aplicación amplio y variado, como en el diseño automotriz, en refrigeración, en la ingeniería de innumerables procesos mecánicos, metalúrgicos, químicos, etc. Algunos ejemplos de aplicación en Entre Ríos podrían ser, estudiar la ambientación en criaderos de pollos para solucionar el problema del estrés térmico, analizar y optimizar procesos con movimiento de fluidos y transferencia de calor en la industria lechera o alimenticia en general.
 

En realidad la simulación numérica, como se la llama en ingeniería a esta rama de la tecnología, del movimiento de fluidos, sea con transferencia de calor o cualquier otro factor de complejidad, aporta mucha información sobre el mismo y es intensamente usada en todo el mundo, principalmente en los países desarrollados. Tiene, por otro lado, la ventaja de ser económica y rápida en cuanto a ofrecer respuestas.

Datos sobre la Dinámica de Fluidos Computacional
 

El interés del hombre por el movimiento de los fluidos comenzó hace siglos, pero los mayores avances se consiguieron a partir del Renacimiento. Muchos estudiosos, como Leonardo da Vinci, hicieron sorprendentes aportes sobre los movimientos de fluidos en la atmósfera o sobre hidráulica. En el siglo XIX se avanzó con la formulación de las ecuaciones del movimiento de los fluidos – ecuaciones de Navier-Stokes-, en honor a los aportes de los científicos Claude Navier y George Stokes. Esas ecuaciones son el modelo matemático de la dinámica de fluidos. La solución de las mismas en casos complejos sólo fue posible hace 50 años, con la irrupción de la computadora. A esto se denomina Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés).
 

Por solución de esas ecuaciones se entiende, por ejemplo, los valores de velocidad y presión del fluido a lo largo del espacio y del tiempo estudiado. Para el flujo alrededor de un cuerpo aerodinámico en movimiento (Figura 1), la solución es la velocidad relativa y presión del aire en una región próxima a su superficie. El procedimiento para obtenerla consiste en dividir el espacio físico en estudio –volumen de aire próximo que rodea al cuerpo-, en una serie de celdas tridimensionales interconectadas muy pequeñas con formas y tamaños variables –malla numérica–. Luego en cada una de esas celdas se resuelven las ecuaciones comentadas, a lo largo de una serie de intervalos de tiempo también pequeños.
 

—¿Para qué sirve conocer la solución de esas ecuaciones?
—Conocidos los valores de la velocidad del fluido próximo de la superficie del cuerpo, se puede calcular, por ejemplo, la fuerza de arrastre –fuerza ejercida por el cuerpo para vencer el rozamiento con el aire–. O estudiar el movimiento relativo del aire muy próximo del vehículo con el propósito de controlar o disminuir esa fuerza. Una disminución ínfima de la fuerza de arrastre implica una disminución de combustible y por tanto una reducción de los costos de transporte. Sin embargo en la actualidad no todo tipo de flujo puede ser resuelto con CFD en forma directa, usando las ecuaciones de Navier-Stokes sin simplificaciones. Las complicaciones surgen al solucionar flujos con altas velocidades o flujos turbulentos. Es decir, existen dos modalidades del movimiento de un fluido, el laminar –ordenado y suave– y el turbulento –oscilante y caótico–.
 

Cuando fluye agua de una canilla apenas abierta, puede observarse que el movimiento es suave, ordenado, sin oscilaciones y se lo llama laminar; aumentando la apertura, la velocidad aumenta –el parámetro que informa sobre la transición orden-desorden se denomina número de Reynolds– y progresivamente el fluido comienza a oscilar, aumenta el desorden, surgiendo fluctuaciones abruptas. Solucionar las ecuaciones de un flujo laminar es simple, en muchos casos es analítica. Sin embargo de uno turbulento es complejo y la solución solo puede ser obtenida con técnicas de integración numérica. Es decir con metodologías de la CFD con la ayuda informática. A dicho proceso se lo denomina simulación de la turbulencia, el cual abarca una parte importante de la CFD.
 

La turbulencia tiene en la práctica aspectos negativos y positivos. En una cámara de combustión favorece la mezcla del combustible con el aire mejorando el rendimiento del motor. También permite que una pelota de tenis, ante un mismo impulso, se desplace, paradójicamente, a mayor distancia. En contraste, si bien en una tubería un incremento de la velocidad incrementa el caudal de fluido, la turbulencia aumenta la energía necesaria para transportarlo, encareciendo el proceso. Sin embargo, a la hora de hallar una solución, la turbulencia siempre representa una dificultad.
 

—¿En qué radica la dificultad de la turbulencia para la ciencia?
—En que el desorden y las fluctuaciones en un flujo turbulento, aumentan en número y disminuyen en tamaño con la velocidad. Es decir a mayor velocidad -mayor Reynolds- surgen fluctuaciones a su vez más pequeñas. Por ejemplo, el número de celdas de la malla numérica en las cuales se debe dividir el espacio que rodea al cuerpo de la figura 1, aumenta considerablemente en la medida que aumenta el desorden y las oscilaciones del flujo. Por ese motivo su resolución requiere enorme capacidad de cálculo.
 

Por último digamos que sumado a la dificultad que encierra predecir la turbulencia, en la industria de procesos, los ingenieros necesitan en algunos casos además, para diseñar y optimizar los mismos, predecir transferencia de calor, de especies químicas, por ejemplo.
 

Dichos procesos pueden involucrar fluidos simples como el agua o el aire -denominados Newtonianos- o fluidos más complejos como la sangre, la mayonesa o la miel, denominados no-Newtonianos; fluidos en una fase -líquido o vapor- o en varias fases -líquido, gas y sólidos- como ocurre en la industria petroquímica. Por tanto la turbulencia es un agregado de complejidad a problemas ya complejos. Aportar herramientas de análisis para los mismos constituye un enorme desafío para la ciencia y la tecnología moderna. Y el camino para conseguirlo es sin dudas la investigación, a través del estudio sistemático y riguroso de los aspectos físicos fundamentales, proponiendo modelos más confiables y/o nuevas estrategias de modelación.