¿Puede el aumento de la turbulencia dentro de una tubería aumentar económicamente el flujo?

No, no puede en el caso general. Las fórmulas que dan la pérdida de carga en un conducto siempre vienen dadas por una forma P = K.geometry.rho.V² donde K es un coeficiente de fricción empírico, la geometría contiene parámetros geométricos (diámetro, longitud, etc.), rho es la densidad y V el velocidad.

Ahora K depende típicamente del número de Reynolds y de la rugosidad de la pared del conducto. Una vez fijada la naturaleza del fluido y la geometría del conducto, la pérdida de carga depende únicamente de K.V².

¿Qué significa "aumento de la turbulencia" en el conducto? Solo 2 respuestas posibles:

1) Aumentar la velocidad. Como esto aumenta tanto K como V², aumenta la pérdida de presión. Malo.

2) Aumentar la rugosidad del conducto. Esto aumenta K sin cambiar V. La pérdida de presión aumenta nuevamente. Malo.

Por supuesto, los flujos laminares de muy baja velocidad también son muy malos para perder presión, pero mueven tan poco fluido que no se usan de todos modos. Pasar de laminar a turbulento puede ser mejor o peor dependiendo de la aspereza, pero generalmente no hay opción porque el flujo (kg/s) es una restricción y el flujo turbulento es el resultado. Una vez dado el flujo turbulento, lo mejor es reducir la rugosidad en la medida de lo posible.

Tienes una excelente calculadora aquí y puedes jugar con todo tipo de flujos posibles: http://www.engineeringtoolbox.com/colebrook-equation-d_1031.html

Como beneficio adicional, también hay una tabla para los coeficientes de fricción de Darcy según Reynolds y la rugosidad.

Sí: hasta cierto punto

La ecuación de Darcy Weisbach explica las pérdidas por fricción en una tubería:

$f L D \frac{v^2}{2 g}$

$f$generalmente proviene de un diagrama de Moody . Al observar uno, verá que el factor de fricción de una tubería disminuye al aumentar el número de Reynolds hasta que el flujo se considera "totalmente turbulento", momento en el cual el factor de fricción se nivela.

La razón física de esto es que se forma una capa límite turbulenta en el borde de la tubería, lo que hace que la tubería sea efectivamente más suave. El perfil de velocidad media del flujo de una tubería con un número de Reynolds bajo es parabólico, mientras que un flujo con un número de Reynolds alto es más uniforme, por lo que el flujo "siente" menos las paredes de la tubería.

Una tubería que va del número de Reynolds 3000 a 300 000 podría ver una reducción en su factor de fricción de casi la mitad, pero una tubería que va de Re 300 000 a 3 000 000 casi no verá reducción en el factor de fricción.

Los riblets pueden mejorar el flujo de fluido en una tubería entre un 3 y un 15 %. Inicialmente fueron descubiertos mientras estudiaban la piel de tiburón.

Las pequeñas costillas que cubren la piel de los tiburones que nadan rápidamente funcionan al disminuir el esfuerzo cortante total en la superficie y al impedir la traslación transversal de los vórtices en la subcapa viscosa. Si bien estos efectos y su papel en la reducción final de la fricción se comprenden y son reproducibles, los mecanismos subyacentes que causan la reducción en la traducción del vórtice no se comprenden completamente.

Una causa clásica del aumento del arrastre que exhiben las superficies de las costillas que imitan la piel de tiburón es un aumento en el área de superficie mojada. En el régimen de flujo turbulento, la resistencia del fluido generalmente aumenta dramáticamente con un aumento en el área superficial debido a las tensiones de cizallamiento en la superficie que actúan a través de la nueva área superficial más grande. Sin embargo, a medida que se forman vórtices sobre la superficie de los dentículos, permanecen por encima de los dentículos, interactuando solo con las puntas y rara vez provocando un flujo de alta velocidad en los valles de los dentículos. Dado que los vórtices de mayor velocidad interactúan solo con un área de superficie pequeña en las puntas de los dentículos, solo esta área localizada experimenta esfuerzos de corte elevados. El flujo de fluido a baja velocidad en los valles de los dentículos produce tensiones de cizallamiento muy bajas en la mayor parte de la superficie del dentículo. Al mantener los vórtices por encima de las puntas de los riblet, las fluctuaciones de la velocidad de la corriente transversal dentro de los valles de los riblet son mucho más bajas que las fluctuaciones de la velocidad de la corriente transversal sobre una placa plana (Lee y Lee, 2001). Esta diferencia en las fluctuaciones de la velocidad de la corriente cruzada es evidencia de una reducción en la transferencia de esfuerzo cortante y momento cerca de la superficie, lo que minimiza el efecto del aumento del área superficial.Fuente: "El efecto de las geometrías de Riblet inspiradas en la piel de tiburón sobre el arrastre en el flujo de conductos rectangulares". Brian Doublas Decano, Universidad Estatal de Ohio, 2011.

La eficacia de los pequeños riblets depende en gran medida de la velocidad del fluido.

Existe una gran cantidad de literatura sobre la reducción de la resistencia aerodinámica utilizando riblets en el flujo turbulento de la capa límite sobre placas planas. Walshs obtuvo algunos de los primeros y más importantes resultados.$^{1,2,3}$. Demostró que se podía obtener una reducción de la resistencia cuando la altura de la estructura de los dentículos se expresaba en unidades wll$S^+ =\frac{Su^+}{v}$está por debajo de 30; el máximo de 7-8% ocurrió cuando$S^+$es de aproximadamente 15. Aquí S es la altura y la base de las costillas,$u^+$es la velocidad de fricción y$v$es la viscosidad cinemática. También descubrió que las ranuras triangulares se encuentran entre las más efectivas para reducir la resistencia.

Se sabe menos sobre el efecto de los riblets en la reducción del arrastre en el flujo de la tubería. Nitschke$^4$estudió el flujo de aire en una tubería con picos redondeados y valles planos maquinados en la superficie de la tubería. Se midió una reducción máxima de la resistencia aerodinámica del 3 %... A velocidades más altas, los revestimientos de las costillas provocan un aumento de la resistencia aerodinámica. Fuente: "Reducción de arrastre en tuberías revestidas con riblets". KN Liu, C. Christodoulou, O. Ciccius, CC Joseph, Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN.

La turbulencia también se puede reducir para aumentar la eficiencia mediante la aplicación de un revestimiento superhidrofóbico .