Flux laminar i flux turbulent:
Quan entre dues partícules en moviment existeix gradient de velocitat, es a dir que una es mou més ràpid que l'altra, es desenvolupen forces de fricció que actuen tangencialment a les mateixes.

Les forces de fricció tracten de provocar rotació entre les partícules en moviment, però simultàniament la viscositat* tracta d'impedir la rotació. Depenent del valor relatiu d'aquestes forces es poden produir diferents estats de flux.
* conceptes definits a continuació.

Quan el gradient de velocitat és baix és a dir, la diferencia de velocitats entre partícules no és molt alt, la força d'inèrcia* és major que la de fricció, les partícules es desplacen però no roten, o ho fan amb molt poca energia, el resultat final és un moviment en el qual les partícules segueixen trajectòries definides, i totes les partícules que passen per un punt en el camp del flux segueixen la mateixa trajectòria. Aquest tipus de flux va ser identificat per O. Reynolds i es denomina flux laminar, expressant amb això que les partícules es desplacen en forma de capes o làmines. Aquest tipus de flux dissipa molt poca energia ja que es produeixen pocs xocs entre partícules.

En augmentar el gradient de velocitat s'incrementa la fricció entre partícules pròximes dins del fluid, i aquestes adquireixen una energia de rotació apreciable, la viscositat perd el seu efecte, i a causa de la rotació les partícules canvien de trajectòria. En Variar les trajectòries de les partícules, xoquen entre si i canvien de rumb constantment. Aquest tipus de flux es denomina flux turbulent. Es un flux desordenat i caòtic.

El flux turbulent es caracteritza per:

-Les partícules del fluid no es mouen seguint trajectòries definides.

-L'acció de la viscositat és menyspreable.

-Les partícules del fluid posseeixen energia de rotació apreciable, i es mouen constantment xocant unes amb unes altres.


Quan les forces d'inèrcia del fluid en moviment són molt baixes, la viscositat és la força dominant i el flux és laminar. Quan predominen les forces d'inèrcia el flux és turbulent. Osborne Reynolds va establir una relació que permet determinar el tipus de flux.

* Viscositat: És la resistència que presenta un fluid per fluir . Els fluids d'alta viscositat presenten una certa resistència a fluir; els fluids de baixa viscositat flueixen amb facilitat. La força amb la qual una capa de fluid en moviment arrossega amb si a les capes adjacents de fluid determina la seva viscositat, que es mesura amb un recipient (viscosímetre) que té un orifici de grandària coneguda en el fons. La velocitat amb la qual el fluid surt per l'orifici és una mesura de la seva viscositat. En el cas dels fluids compressibles com l’aire la viscositat es molt baixa.
Els fluids reals sempre experimenten en moure's certs efectes deguts a forces de fregament o forces viscoses. Així, la viscositat és responsable de les forces de fricció que actuen entre les capes del fluid. En els líquids, aquesta sorgeix de les forces de cohesió entre les molècules de la substància. La viscositat en els líquids disminueix amb la temperatura, mentre que el contrari succeeix amb els gasos. Si un fluid no té viscositat fluiria per un tub horitzontal sense necessitat d'aplicar cap força, la seva quantitat de moviment seria constant.
Com més fortes són les unions intramoleculars de una substancia, més resistència presentarà alhora de fluir, ja que quan una capa vol arrossegar a la capa adjacent, l’hi serà més difícil l’avanç, es a dir es van frenant entre elles degut a la fricció provocada per les fortes unions entre molècules. En aquest cas direm que és una substancia viscosa.
* La inèrcia: és la tendència dels cossos a mantenir l'estat de moviment o repòs en el qual es troben. També pot considerar-se la inèrcia com la tendència dels cossos a mantenir el seu estat, sigui de repòs o de moviment, fins que una força externa modifiqui aquest estat.
Ex: Quan pares un objecte pesant, que viatge a una certa velocitat costa frenar-lo, axó ho causa la inèrcia, direm que aquell cos posseeix una inèrcia determinada.
La seva formula és: I=m•v
M=massa V= velocitat
Numero de Reynolds:
Reynolds va estudiar les característiques de flux dels fluids injectant un tint dins d'un líquid que fluïa per una canonada. A velocitats baixes del líquid, el tint es mou linealment. No obstant això a majors velocitats, les línies laminars de flux es desorganitzen i el tint es dispersa ràpidament després de la seva injecció en el líquid. El flux lineal es denomina laminar i el flux desordenat obtingut a majors velocitats del líquid es denomina turbulent

Les característiques que condicionen el flux laminar depenen de les propietats del líquid i de les dimensions del flux. Conforme augmenta el flux augmenta la força d’inèrcia, les quals són contrarestades per la per la fricció o forces viscoses entre partícules dins del líquid que flueix. Quan aquestes forces oposades aconsegueixen un cert equilibri es produeixen canvis en les característiques del flux.
Amb diferents probes i anàlisis es va determinar que el Nombre de Reynolds es defineix com la relació existent entre les forces inercials i les forces viscoses (o de fregament).
Aquest nombre és dimensional ( no té dimensions) i pot utilitzar-se per definir les característiques del flux.
Es calcula amb la següent formula:

p=pressió.
vs= velocitat característica del fluid.
μ= viscositat dinàmica del fluid.
D= diàmetre de la canonada per la qual circula el fluid o longitud característica del sistema.


El nombre de Reynolds proporciona una indicació de la pèrdua d'energia causada per efectes viscosos. Observant l'equació anterior, quan les forces viscoses tenen un efecte dominant en la pèrdua d'energia, el nombre de Reynolds és petit i el flux es troba en el règim laminar. Si el Nombre de Reynolds és 2100 o menor el flux serà laminar. Un nombre de Reynolds major de 10 000 indiquen que les forces viscoses influeixen poc en la pèrdua d'energia i el flux és turbulent.

Concepte de la capa límit:
La capa límit és un dels conceptes mes importants per entendre com es comporta l’aire sobre els cossos. En el vol dels ocells, la creació dels automòbils i tot tipus d’instruments. Sense la comprensió d’aquest concepte seria impossible el vol dels ocells, dels avions i les millores tècniques en aerodinàmica.

La capa límit és una forma d’explicar el complicat moviment d’un fluid quan es veu alterat per un cos. Aquest canvis van determinats per complicades equacions matemàtiques anomenades equacions de Navier-Stokes, que són tant complicades que nomes sabem resoldre-les de forma molt simplificada.


La capa límit s'entén com aquella capa de flux que es crea a la superfície d’un cos en la qual la velocitat del fluid respecte al sòlid en moviment varia des de zero fins al 99% de la velocitat del corrent no pertorbat,es a dir suposem que un cos viatja a través d'un fluid a una velocitat V. Si imaginem que viatgem amb el cos, aquest estarà quiet des del nostre punt de vista i l'aire es mourà al seu al voltant a velocitat V. Lluny del cos el fluid no és pertorbat per la presència d'aquest, però el fluid que està en contacte immediat amb el cos es queda enganxat a ell (a causa del efectes de la viscositat), per la qual cosa la seva velocitat respecte al mateix serà nul•la. El problema recau en la zona intermitja d’aquesta capa que es forma al voltant del cos.

En aquesta zona intermitja l'aire passa de tenir velocitat nul•la a tenir velocitat V. La capa límit se sol definir com la zona en la qual el flux d'aire té una velocitat de entre el 0 i el 99% de V, des de la superfície del cos a l’aire no alterat respectivament. Fora de la capa límit, es pot considerar que la viscositat és menyspreable ja que l’aire esta en calma i no hi ha gaire fregament entre partícules, amb la qual cosa les equacions de Navier-Stokes prenen una forma bastant mes fàcil. Dins de la capa límit, encara que l'efecte de la viscositat és dominant i no es pot menysprear, es poden fer altres simplificacions que també faciliten molt les coses.


Per tant, la capa límit depèn de entre d’altres factors de la velocitat, quan augmenta la velocitat, es dona un fenomen en que la capa límit pateix uns canvis considerables, augmenta la inèrcia de les partícules i comencen a variar la seva trajectòria, originant un flux turbulent. Quan es dona aquest flux turbulent en la capa límit, les propietats varien constantment i es forma un caos que és difícil de entendre. De fet resoldre les equacions de Navier-Stokes amb tres dimensions i sense simplificar en el flux turbulent encara no s’ha aconseguit, tot i que hi ha recompenses econòmiques pel qui aconsegueixi resoldre-les.
Inèrcia: m•v
Per tant, existeixen dos tipus de capa límit: la capa límit laminar i la capa límit turbulenta. La turbulenta és lleugerament més gruixuda ( degut a les trajectòries variables i diferents fenòmens que provoquen una lleugera expansió a diferencia del flux ben ordenat de la capa límit laminar). En la capa límit turbulenta com que el fluid és mou en totes direccions, dissipa més la energia, i per tant la força de fricció derivada de ella és major. Així que, en principi, en aviació interessa que la capa límit sigui sempre laminar. No obstant això, degut a la grandària de els avions, la capa limita acaba sent turbulenta. Però seguidament veurem que aquest fenomen no es totalment negatiu, ja que en determinades ocasions pot ser favorable.

En aquesta imatge podem apreciar la velocitat en la capa límit del flux d’aire, com més a prop de la superfície mes curta es la fletxa que indica la velocitat i va augmentant a mesura que se’n allunya. En el punt S es desprèn la capa límit i comença a donar-se un fenomen de retrocés del flux, degut a les diferencies de pressió entre la pròpia capa límit i la zona en que ja s’ha desprès. Com mes endavant veurem, com més velocitat menys pressió es dona en aquell punt. Per tant el flux de la capa límit va a més velocitat que el de la zona en que la capa ja s’ha desprès, originant una diferencia de pressió en la que la zona de menys pressió ( la de la capa límit) tendeix a ser ocupada per el flux de la zona de més pressió ( espai que es crea sota del desprendiment de la capa límit .
Tot i que pot semblar contradictori, la capa límit turbulenta té un avantatge molt important respecte de la capa límit laminar. El flux laminar va perdent velocitat al llarg de la capa límit, fins que finalment es para o fins i tot retrocedeix, provocant que la capa límit es desprengui i el flux ja no segueixi la forma de la superfície ( ocasionant una major resistència a l’avanç del cos, degut a la major separació del flux d’aire). Aquest efecte és especialment perjudicial en l'ala d'un avió, ja que per crear sustentació és important que el flux segueixi la forma del perfil de l'ala. El despreniment de la capa límit de les ales és el que ocorre quan es diu que l'avió «entra en pèrdua», és a dir, deixa de crear sustentació i per tant la gravetat el fa caure, axó ocorre quan l’angle d’atac* es massa gran.
* Angle d’atac:
S'anomena angle d'atac a l'angle que formen la corda geomètrica( segment que va d’una aresta a l’altre d’un objecte) d'un perfil d'ala amb la velocitat de l'aire incident. Es un paràmetre que influeix decisivament sobre la capacitat de generar sustentació d'una ala.
Normalment, en augmentar l'angle d'atac augmenta la sustentació fins a un punt concret en el qual aquesta disminueix bruscament separar-se la capa límit, es deixa de crear la diferencia de pressió entra la part superior i inferior del perfil alar i deixa de crear sustentació, posteriorment estudiarem aquest fenomen, quan l’angle d’atac es massa gran i deixa de crear sustentació es diu que ha entrat en pèrdua. La relació de la sustentació amb l'angle d'atac es pot mesurar a través d'un coeficient de sustentació CL.


angle d’atac.



Una capa límit turbulenta, en canvi, fa que part de l'energia cinètica de la zona exterior ( la que és aproximadament el 99% de la velocitat de l’aire no pertorbat) es transmeti a l'interior, estimulant l'avanç de les zones de menor velocitat, per la qual cosa el despreniment triga molt més a ocórrer, i l'avió és molt menys propens a entrar en pèrdua. A més, quan la capa límit es desprèn el desplaçament del flux ocasionat per l'objecte augmenta molt perquè el fluid no segueix la seva forma, de manera que la resistència també és molt major. Quant menor sigui el despreniment, menor serà aquesta separació del fluid, i per tant menor serà la resistència (l'aire haurà de desviar-se menys per envoltar l'obstacle). Així que es dóna la paradoxa que, amb una capa límit turbulenta, moltes vegades s'aconsegueix reduir bastant la resistència aerodinàmica en retardar el despreniment, a pesar que en principi sembla que no hauria de ser així. És a causa d'això que les pilotes de golf tenen forats i les de tennis són peludes.
En el primer exemple (Before VGs) veiem un perfil alar que ocasiona un flux laminar, al augmentar l’angle d’atac, el flux deixa de seguir el contorn del perfil alar i la capa límit es desprèn.
En canvi en el segon exemple ( After VGs) veiem un segon perfil alar que ocasiona un flux turbulent, aquest flux segueix el contorn del perfil a majors angles d’atac i per tant no deixa tant ràpid de no crear sustentació.

Els avions estan plens d'invents perquè la capa límit sigui de la forma més convenient a cada zona. Potser el que més cridi l'atenció a la vista siguin els generadors de remolins, aquesta espècie de petits sortints que tenen en alguns llocs de les ales o el fuselatge, i que produeixen un petit remolí que estimula la capa límit per evitar el despreniment.

Capa límit laminar:
Quan la velocitat és baixa, un fluid que circula al llarg d'una superfície llisa que és relativament curta i plana produirà una capa límit molt prima. El flux dins de la capa límit serà ordenat, les diferents capes de fluid romandran bàsicament paral•leles unes a unes altres, sense barrejar-se. És molt complicat mantenir la capa límit, ja que es molt influenciable i te poca estabilitat, es a dir, tendeix a distorcionar-se.
Capa límit turbulenta:
Conforme un fluid es mou sobre una superfície llarga i relativament plana, la capa límit s'anirà fent més gruixuda, i les capes de fluid començaran a barrejar-se i a rotar una al voltant de l'altra. Aquesta capa límit en la qual el moviment del fluid és agitat i giratori, es diu capa límit turbulenta. Aquesta agitació contínua de les partícules del s’anomena turbulència. Si el moviment giratori del fluid és regular i repetitiu, llavors es coneix com a vòrtex o remolí.
Aquets conceptes van estretament relacionats amb l’exemple de la pilota de golf, ja que hem après la diferencia entre la capa límit laminar i la turbulenta i els pros i els contres de cada una d’elles. Hem compres perquè es busca un equilibri entre la capa límit turbulenta i la laminar per tal de evitar la separació prematura de la capa límit i per tant un major desplaçament del flux d’aire, per així millorar les prestacions aerodinàmiques d’un cos.
Exemples del desprendiment de la capa límit:







En cossos amb forma fusiforma, com els perfils alars, la capa limit es despren al final, formant una estela molt prima, en aquets casos la resistencia es fonamentalment deguda al fregament de les particules del fluid contre el cos (viscositat).






En canvi en cossos amb una aerodinàmica menys apurada, la capa límit es desprèn ocasionant zones de pressió variable, creant remolins i tot tipus de desordre dins la estela. Això comporta una resistència mes elevada que la forma de fus, que es mes aerodinàmica.




Espessor de la capa límit: