En mecánica de fluidos , la inestabilidad de Taylor-Couette es la aparición de vórtices en el flujo de un fluido entre dos cilindros concéntricos que no giran a la misma velocidad angular . Consiste en la desestabilización del flujo circular de Couette en una serie de rodillos Taylor cuando la velocidad angular supera un cierto umbral. Sir Geoffrey Ingram Taylor lo estudió originalmente en un artículo de 1923, de ahí su nombre.
El fluido en el sistema es puesto en movimiento por las paredes debido a la condición de no deslizamiento . Las inestabilidades en el flujo de Taylor-Couette resultan de la competencia de dos efectos antagónicos:
Por tanto, el estado del flujo puede predecirse mediante el número de Taylor que compara estas dos cantidades. Este número está directamente relacionado con el número de Reynolds .
La estabilidad del flujo en el caso de un fluido no viscoso fue estudiada por Lord Rayleigh en una publicación de 1916. El criterio obtenido es el siguiente:
El flujo de un fluido giratorio no viscoso es estable si y solo si la cantidad (donde es la distancia desde el eje y es la velocidad azimutal) aumenta en función de .
Los pasos siguientes describen el comportamiento del sistema para un fluido viscoso cuando aumenta la velocidad de rotación del cilindro interior y bajo el supuesto de que el cilindro exterior está estacionario. Se han estudiado muchas otras configuraciones tanto para cilindros que giran en la misma dirección como para cilindros que giran en direcciones opuestas.
Para un número de Taylor menor que un valor crítico , el flujo es laminar , las líneas de corriente son círculos concéntricos. Se llama flujo circular de Couette . La viscosidad domina la fuerza centrífuga y el flujo es estable.
Encontramos el principio de Curie : los efectos tienen al menos las simetrías de las causas. El flujo creado entre los dos cilindros es invariable por rotación alrededor del eje.
Cuando la velocidad de rotación aumenta hasta el punto en que los efectos de la fuerza centrífuga superan la viscosidad y se produce una primera inestabilidad. Consiste en la aparición de rodillos en el flujo que son vórtices toroidales, también llamados rodillos de Taylor .
Este nuevo flujo es el flujo Taylor-Couette. Es estable hasta la próxima inestabilidad.
La simetría se pierde en el flujo y se viola el principio de Curie. La velocidad radial en el flujo tiene un comportamiento periódico a lo largo del eje del cilindro que no se encuentra en el sistema que crea el flujo.
Una segunda inestabilidad aparece cuando la velocidad de rotación, y por tanto el número de Reynolds, sigue aumentando. Los rodillos, hasta ahora estacionarios, comienzan a oscilar periódicamente. Este régimen se llama rodillos Taylor oscilantes (o Wavy Vortex Flow en inglés).
Esto disminuye aún más la simetría del flujo.
Si el número de Reynolds continúa aumentando, el flujo pasa por varias inestabilidades sucesivas antes de volverse turbulento .
Hasta la década de 1970 , se creía que la transición a la turbulencia pasaba por una secuencia interminable de inestabilidades sucesivas. Harry Swinney y Jerry Gollub demostraron a través de experimentos llevados a cabo en la Universidad de Princetown en 1975 que la transición tiene lugar en un número finito de pasos.