Mecánica de los fluidos Cinemática de los Fluidos Ing. Rubén Marcano

CINEMÁTICA DE FLUIDOS Es aquella ciencia que se encarga de la descripción del movimiento de las partículas de cualquier fluido, pero sin hacer referencia a las fuerzas que puedan ocasionar dicho movimiento y aquellas que se puedan originar junto con esté; es decir, solo se encarga del estudio en cuanto a posición, velocidad, diferencias de velocidad e incluyendo todo aquellas variables que puedan surgir directamente con la descripción del movimiento. Al movimiento de un fluido se le denomina flujo

LEYES FUNDAMENTALES DE LA FISICA Las leyes fundamentales de la física son aquellas que nos permite estudiar un fluido en movimiento, para observar sus características y propiedades. Las principales leyes que describen la naturaleza de un fluido en movimiento son: La ley de la conservación de la masa (ecuación de continuidad). Segunda ley de Newton del Movimiento (teorema de momentum) La primera ley de la termodinámica (ecuación de la energía) “Estas ecuaciones solo permitirá solucionar los diferentes problemas que existen con fluidos en movimiento.”

SENDAS, LINEAS DE TRAYECTORIA Y LINEAS DE CORRIENTE En el análisis de problemas de mecánica de fluidos frecuentemente resulta ventajoso disponer de una representación visual de un campo de flujo. Tal representación se puede obtener mediante las trayectorias, las líneas de trazar y las líneas de corriente. Langraniano Euleriano Una senda es la trayectoria seguida por una partícula individual durante un periodo de tiempo. Ella indica la dirección de la velocidad de la partícula en instantes sucesivos de tiempo

SENDAS, LINEAS DE TRAYECTORIA Y LINEAS DE CORRIENTE Representación de los fluidos en movimiento Visualización del campo de flujo Los campos de flujo y sus representaciones son la forma de describir un fluido en movimiento. Es una región del flujo de interés donde se refiere a una cantidad que se define en función de la posición y el tiempo, en una región determinada. Líneas de corriente Una línea de corriente es una línea que se dibuja tangente al vector velocidad en cada uno de los puntos en un campo de flujo. La línea de trayectoria es la curva marcada por el recorrido de una partícula de fluido determinada a medida que se mueve a través del campo de flujo. Cada partícula de fluido viaja a lo largo de su propia línea de trayectoria.

SENDAS, LINEAS DE TRAYECTORIA Y LINEAS DE CORRIENTE Tubos de corriente Es el tubo formado por todas las líneas de corriente que pasan a través de una pequeña curva cerrada. Durante flujo a régimen estacionario está fijo en el espacio y no puede haber flujo a través de paredes, porque el vector de velocidad no tiene componente normal a la superficie del tubo. De la definición de línea de corriente es evidente que no existe paso de flujo a través de la superficie lateral del tubo de corriente; un tubo de corriente se comporta como un conducto de paredes impermeables y espesor nulo, de sección recta infinitesimal. En un flujo estacionario las líneas de trayectoria las sendas y las líneas de corriente coinciden

TIPOS DE FLUJO Fluido ideal Es aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. fluido real los efectos de la viscosidad se introducen en el problema. Esto da lugar al desarrollo de esfuerzos cortantes entre partículas del fluido vecinas cuando están moviéndose a velocidades distintas.

TIPOS DE FLUJO La viscosidad introduce resistencias al movimiento, al causar, entre las partículas del fluido y entre éstas y las paredes limítrofes, fuerzas de corte o de fricción que se oponen al movimiento; para que el flujo tenga lugar, debe realizarse trabajo contra estas fuerzas resistentes, y durante el proceso parte de la energía se convierte en calor. Flujo estacionario cuando todas las propiedades del flujo en cada punto se mantienen constantes con respecto al tiempo flujo no estacionario Las propiedades de flujo en un punto cambian con el tiempo.

FLUIDO UNIFORME Flujo Uniforme Y Flujo Variado Es considerado como un espacio de criterio. Es el flujo en canales abiertos es uniforme si las características del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede ser estacionario o no estacionario, según cambie o no las características del fluido con respecto al tiempo. El flujo uniforme estacionario es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La características del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no estacionario requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo es variado si la las características del flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser estacionario o no estacionario es poco frecuente, el termino “Flujo no estacionario”.

FLUIDO UNIFORME

TIPOS DE FLUJO Flujo Compresible los gases se deben tener en cuenta los efectos de la compresibilidad del gas. Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando éste se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también cambia. El comportamiento de flujo de un gas compresible depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la velocidad del sonido. Los efectos de la compresibilidad son muy importantes en el diseño de los cohetes y aviones, en las plantas generadoras, los ventiladores y compresores.

TIPOS DE FLUJO Flujos Incompresibles En los cuales las variaciones de densidad son pequeñas y relativamente poco importantes. Si se consideran los dos estados de la materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles. La primera parte de esta generalización es correcta para la mayor parte de los casos prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido. los flujos de gases se pueden aproximar como incompresibles si los cambios en la densidad se encuentran por debajo de alrededor de 100 m/s

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. Flujo laminar Cuando la velocidad del flujo es baja, su desplazamiento es uniforme y terso donde las capas de fluido parecen desplazarse unas sobre otras sin remolinos o turbulencias, se llama luminar y obedece la ley de viscosidad de Newton. Flujo turbulento Cuando la velocidad es bastante alta, se observa una corriente inestable en la que se forman remolinos o pequeños paquetes de partículas de fluido que se mueven en todas direcciones y con gran diversidad de ángulos con respecto a la dirección normal del flujo

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO Experimento de Reynolds para flujo laminar Experimento de Reynolds para flujo turbulento

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO 1.- Líneas de trayectoria lisas 2.- No hay remolinos 3.-Las capas de fluido se deslizan unas respecto a otras 4.- Se cumple ley de Newton para viscosidad V t Flujo Turbulento: 1.- Líneas de trayectoria irregulares 2.- Hay remolinos 3.- Existe intercambio de cantidad de movimiento 4.- No se cumple ley de Newton para viscosidad: aparecen nuevos efectos de corte inducidos por los remolinos t V

Volumen de control Un sistema es conjunto de elementos de fluido, formado siempre por los mismos elementos (átomos o partículas de fluido), tal que pueden moverse, fluir e interactuar con su entorno. Volumen de control: se define como un volumen fijo en el espacio, de forma y tamaño invariable con el tiempo a través del cual fluye la materia. La superficie que lo limita se denomina Superficie de Control.