UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TIPOS DE FLUJOS
ÁREA DE HIDRÁULICA, CURSO HIDRAULICA, SECCIÓN __P___ INGENIERA KARLA GIOVANNA PÉREZ LOARCA CRISTÓBAL DE JESÚS CASTELLANOS BLANCO 2012-12836
GUATEMALA, ___5/12/2013_______
INDICE
INTRODUCCION………………………………………………………………….1
OBJETIVOS……………………………………………………………………….2
MARCO TEORICO………………………………………………………………3-7
CONCLUSIONES………………………………………………………………....8
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………9
ANEXOS…………………………………………………………………………….10
I.
INTRODUCCION
Cuando un cuerpo sólido se mueve en el seno de un fluido, se originan una serie de fuerzas sobre dicho cuerpo. El origen de esas fuerzas se debe a la viscosidad del fluido y a la resultante de las fuerzas debidas a las presiones normales a la superficie exterior del cuerpo sólido. Por el principio de acción y reacción, el cuerpo ejerce sobre el fluido una fuerza igual y de sentido contrario a la que el fluido ejerce sobre el sólido Introducción. Actos tan cotidianos como tomar una ducha, respirar o beber agua, requieren necesariamente la circulación de fluidos. El estudio de la mecánica de fluidos puede ayudarnos tanto para comprender la complejidad del medio natural, como para mejorar el mundo que hemos creado. Si bien la mecánica de fluidos está siempre presente en nuestra vida cotidiana, lo que nos falta conocer es como se expresa esta información en términos cuantitativos, o la manera en que se diseñan sistemas con base en este conocimiento, mismos que se utilizaran para otros fines. El conocer y entender los principios básicos de la mecánica de fluidos es esencial en el análisis y diseño de cualquier y sistema en el cual el fluido es el elemento de trabajo. Hoy en día el diseño de virtualmente todos los medios de transporte requiere la aplicación de la mecánica de fluidos. El diseño de turbo maquinarias como bombas, hélices y turbinas de todo tipo requieren claramente de conocimientos de mecánica de fluidos. La lubricación es también un área de aplicaciones importantes. Los sistemas de calefacción y de ventilación, tanto de viviendas e industrias como de construcciones subterráneas, túneles y otros, así como el diseño de sistemas de cañerías son ejemplos en los cuales las técnicas de diseño están basadas en la mecánica de fluidos. Incluso el sistema de circulación del cuerpo humano es un sistema fluido; de ahí que se dé el diseño de Corazones artificiales, maquinas de diálisis, ayudas respiratorias y otros aparatos de este tipo estén basados en los principios de la mecánica de fluidos. Esto ha dado origen a la aerodinámica y la hidráulica dos ramas importantes de la mecánica de fluidos.
II.
OBJETIVOS
GENERAL:
Conocer los diferentes tipos de flujos que existen tanto sus características como sus formas de aplicación.
ESPECIFICOS:
Conocer cuáles son las aplicaciones que se les puede asignar a cada uno de los tipos de fluidos que se encuentran para poder analizar cuáles son las características que distinguen a cada uno de ellos.
Conocer cómo se pueden aplicar estos tipos de fluidos a la vida real y cotidiana para conocer qué tipos de materiales son los utilizados con estos fluidos.
III.
TIPOS DE FLUJO
La clasificación de los flujos obedece a la variable que sea de interés en una situación dada. Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y entre ellas se pueden mencionar la viscosidad y la densidad del fluido, o la permanencia, el orden, la región, la vorticidad y el comportamiento espacial del flujo. Cada característica del fluido o del flujo originará una clasificación particular y existen muchas otras propiedades y características que se pueden agregar a las enunciadas. Viscosidad del fluido Si el fluido que forma el flujo es real su viscosidad es positiva y se tratará de un flujo real. Para ciertas aproximaciones se ignorará el efecto de la viscosidad y se le asignará un valor nulo a la resistencia viscosa. En ese caso el fluido es ideal y el flujo así formado también lo será. Densidad del fluido Si el flujo se da para un fluido de densidad constante, el fluido y el flujo se denominarán incompresibles. El flujo será compresible si el fluido que lo origina lo es y en ese caso la función de densidad será un campo escalar de posición y tiempo. Permanencia del flujo Si las características del flujo son invariantes en el tiempo, esto es, permanecen, se dirá que el flujo es permanente, de lo contrario se clasificará como flujo no permanente. Una característica particularmente importante desde este punto vista es la velocidad. Así se tendrán campos de velocidad para flujos permanentes o para flujos no permanentes: Flujo no permanente: V=V(x, y, z, t) Flujo permanente: V=V(x, y, z)
Orden del flujo El orden del flujo dará origen a los flujos laminares o turbulentos. Esta característica depende de la combinación de las propiedades del flujo, del fluido y de la región de flujo. En el flujo laminar las partículas viajan siguiendo trayectorias muy definidas, sean rectilíneas o curvilíneas, sin variaciones macroscópicas de la velocidad, de manera que unas capas o láminas de flujo se deslizan o escurren las unas sobre las otras. En el flujo turbulento ocurren fluctuaciones irregulares del flujo, las partículas intercambian cantidad de movimiento lineal y angular. El asunto fue abordado por Osborne Reynolds quien en la Inglaterra de 1883 logró establecer los criterios para la clasificación de los flujos desde este punto de vista. Este criterio es el número de Reynolds (R=rVD/m) que indica flujo laminar para valores bajos y flujo turbulento para valores altos y muestra la influencia que tienen las variables del fluido (r, m), las del flujo (V) y las de la región del flujo (D) en el orden del movimiento de las partículas fluidas. Región de flujo Los flujos reales ocurren en el espacio y por consiguiente sus características, estrictamente, varían en tres coordenadas espaciales y en el tiempo. Esos son los flujos tridimensionales. En muchos casos prácticos, con resultados satisfactorios, se ignora la variación de las propiedades del fluido y de las características del flujo a lo largo de una de las direcciones del espacio y se obtiene un flujo bidimensional. En el caso real se puede estudiar un flujo con esta simplificación y posteriormente introducir las correcciones en los bordes o fronteras de la región de flujo para lograr la conformidad con la naturaleza. Ejemplos de estas situaciones son aquellas que se dan en el flujo alrededor de la pila sumergida de un puente, o alrededor de un perfil alar, o sobre la cresta de un vertedero de caudales máximos en una presa. En otras situaciones se puede simplificar aún más el flujo que se estudia y considerar que la variación de las propiedades del fluido y las características medias del flujo varían solamente a lo largo de una dirección en el espacio y con el tiempo. Ejemplos de tales situaciones son el flujo a lo largo de una tubería o de un canal donde se considera que las propiedades del fluido y las características medias del flujo tienen valores que solamente dependen de la abscisa a lo largo del conducto y del tiempo. Para este caso puede ser muy útil el sistema coordenado de línea (s, t).
Vorticidad del flujo Una partícula fluida, en el seno de un medio fluido en movimiento, está sometida a esfuerzos normales (presión) y cortantes (fricción) y como consecuencia de la acción combinada de los esfuerzos cortantes que soporta puede rotar sobre alguno o algunos de sus ejes. La velocidad angular es particular alrededor de cada eje. La combinación de esas velocidades angulares origina que la partícula rote en el espacio con mayor o menor rapidez, o que no rote en absoluto respecto a ningún eje. En parte eso depende de la distribución de velocidades a lo largo de cada una de las direcciones espaciales y de la viscosidad misma del fluido. Si alguna partícula del flujo rota se dirá que el flujo es rotacional. Si ninguna partícula lo hace se dirá que el flujo es irrotacional. Analíticamente se encuentra que esto queda expresado por el vector vorticidad que no es más que la aplicación del operador rotacional al campo de velocidades:
Flujo rotacional, si la vorticidad es diferente de cero Extensión del campo de flujo El flujo interno corresponde al flujo en una región limitada, el flujo externo se refiere al flujo en una región no limitada, donde el foco de atención está en el patrón de flujo alrededor de un cuerpo sumergido en el fluido. Flujos incompresibles estacionario en conductos a presión Estos flujos cumplen el llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. Para el autor John Muller : "Este principio es importante para la medida de flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en vuelo.
Flujo Laminar y Turbulento. Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille, que estaba interesado por las características del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en lasecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad. Según James A. Fay: "Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos"; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados. Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar, la estructura del flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas. La estructura del flujo en un régimen turbulento por otro lado, se caracteriza por los movimientos tridimensionales, aleatorios, de las partículas de fluido, superpuestos al movimiento promedio.
En un flujo laminar no existe un estado macroscópico de las capas de fluido adyacentes entre sí. Un filamento delgado de tinta que se inyecte en un flujo laminar aparece como una sola línea; no se presenta dispersión de la tinta a través del flujo, excepto una difusión muy lenta debido al movimiento molecular. Por otra parte, un filamento de tinta inyectado en un flujo turbulento rápidamente se dispersa en todo el campo de flujo; la línea del colorante se descompone en una enredada maraña de hilos de tinta. Este comportamiento del flujo turbulento se debe a las pequeñas fluctuaciones de velocidad superpuestas al flujo medio de un flujo turbulento; el mezclado macroscópico de partículas pertenecientes a capas adyacentes de fluido da como resultado una rápida dispersión del colorante. El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular; es un ejemplo de flujo turbulento. El que un flujo sea laminar o turbulento depende de las propiedades del caso. Así, por ejemplo, la naturaleza del flujo (laminar o turbulento) a través de un tubo se puede establecer teniendo en cuenta el valor de un parámetro a dimensional, el número de Reynolds, Re = pVD/u, donde p es la densidad del fluido, V la velocidad promedio, D el diámetro del tubo y u la viscosidad. El flujo dentro de una capa límite puede ser también laminar o turbulento; las definiciones de flujo laminar y flujo turbulento dadas anteriormente se aplican también en este caso. Como veremos más adelante, las características de un flujo pueden ser significativamente diferentes dependiendo de que la capa. Límite sea laminar o turbulenta. Los métodos de análisis también son diferentes para un flujo laminar que para un flujo turbulento. Por lo tanto, al iniciar el análisis de un flujo dado es necesario determinar primero si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento. Veremos más detalles a este respecto en capítulos posteriores.
IV.
BIBLIOGRAFIA
Libros Consultados:
Fundamentos de Mecánica de Fluidos (2ª Edición). P. Gerhart, R. Gross y J. Hochstein. Adison-Wesley Iberoamericana 1995. Pág.( 14 -16)
Mecánica de Fluidos. Frank M. White. McGraw Hill 1979.
Mecánica de los Fluidos (8ª Edición). Victor L. Streeter y E. Benjamin Wylie. McGraw Hill 1986.
Ingeniería Química, Tomos 2 y 3. E. Costa Novella y otros. 1984. Alhamba Universidad.
Mecánica de fluidos. A. Crespo. Publicaciones E.T.S.I.I. Madrid. 1989 La mecánica de los fluidos. I.H. Shames. Editorial Castillo. 1979.
V.
ANEXOS
Instrumentación Básica. APARATO MEDIDOR DE FLUJO Descripción del banco de prueba: El fluido, en este caso agua; es bombeado al aparato por el extremo inferior izquierdo y fluye primeramente a través del Venturis, a continuación por la expansión brusca (Tobera), Orificio y finalmente por el Rotámetro. Al salir del Rotámetro, el agua pasa por una válvula de control conectada al tanque de pesaje, el cual está en el interior de un Banco Hidráulico que entrega agua al aparato medidor de flujo utilizando una bomba instalada en el Banco. Las presiones estáticas de cada punto a través del sistema de medición son registradas por medio de un manómetro multi-tubular transparente, el mismo que puede ser presurizado para evitar tener una columna de agua muy alta, ya que sólo nos interesa el diferencial de presión. Este aparato permite al estudiante familiarizarse con algunos de los métodos típicos de medición de flujo de un fluido incompresible, al mismo que se demuestra las aplicaciones de la ecuación de Bernoulli. La medición del flujo se la hace utilizando un tanque pesaje y un cronómetro, el cual se lo va a considerar como flujo másico de calibración; para poder comparar con cada uno de los medidores como: Venturi, Tobera, Orificio y un Rotámetro conectados en serie, los cuales son objeto de calibración. A partir de la diferencia entre la curva de calibración (tanque de pesaje y cronómetro) y los flujos másicos ideales calculados a partir de la ecuación de Bernoulli, que está en función de las presiones medidas y de la relación de diámetros de cada medidor, se puede calcular el coeficiente de descarga de cada medidor.
VI.
CONCLUSIONES
En el caso de la dinámica de fluidos, el autor R.L Street. Menciona que: "las únicas fuerzas de superficie son las provocadas por la presión, que sumadas a las demás fuerzas, o de gravedad, son las responsables del movimiento del fluido". Bajo estas condicione Newton represento su segunda ley, aplicada a un elemento fluido, o ecuación de cantidad de movimiento, la que se conoce como ecuación de Euler. La dinámica o hidrodinámica de fluidos ya comprenden cálculos matemáticos mediante formulas complejas, las cuales corresponderán a movimientos de flujos sin comprimir. De aquí se deriva una ramificación de la dinámica y así mismo de la mecánica de fluidos: el flujo incompresible y sin rozamiento, el cual es experimentado por la segunda ley de Newton; pero además ya participan mayor número de investigadores acerca del tema (Bernoulli, Evangelista, Torricelli, Pascal, etc.). Al final se deduce que la gravedad junto con otras fuerzas influye para que haya movimiento de un flujo.
