COI 404 - HIDRÁULICA. HIDRÁULICA - INTRODUCCIÓN - GENERALIDADES. - MOVIMIENTO EN SECCIÓN CIRCULAR. - CLASIFICACIÓN DE ESCURRIMIENTOS: - RUGOSIDAD. - VISCOSIDAD.

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1 COI 404 - HIDRÁULICA

2 HIDRÁULICA - INTRODUCCIÓN - GENERALIDADES. - MOVIMIENTO EN SECCIÓN CIRCULAR. - CLASIFICACIÓN DE ESCURRIMIENTOS: - RUGOSIDAD. - VISCOSIDAD. - FORMULAS RACIONALES, EMPÍRICAS Y SIMPLIFICADAS. - CÁLCULO DE CAÑERÍAS. - SINGULARIDADES EN CONTORNO CERRADO. - PÉRDIDAS DE CARGA SINGULAR. - GOLPE DE ARIETE.

3 HIDRÁULICA: INTRODUCCIÓN Es una rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos. Proviene del griego ὑ δ ϱ αυλικός que significa Hydraulikós.

4 HIDRÁULICA: INTRODUCCIÓN IMPORTANCIA DE LA CULTURA GRIEGA Y EGIPCIA: - Sus civilizaciones crecieron en torno a ríos. - Crearon los primeros ductos de guía para el agua. - Tales de Mileto. PERFECCIONAMIENTO DE TÉCNICAS POR LOS ROMANOS: - Primeros sistemas de abastecimiento. - Tuberías de plomo. - Sistemas de retención y abastecimiento. - Creación de puentes.

5 HIDRÁULICA: INTRODUCCIÓN CONSTRUCCIONES ROMANAS: Embalse Cornalvo, España Embalse Proselpina, España Acueducto de los Milagros, España

6 HIDRÁULICA: GENERALIDADES REPASO MECÁNICA DE FLUÍDOS: FLUIDO. ¿QUÉ ES UN FLUÍDO? “Cualquier sustancia que se deforme en forma continua cuando se ejerce sobre ella un esfuerzo de corte, independiente de la magnitud de éste”. Propiedades del Fluido: - Densidad. - Viscosidad. - Presión.

7 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: FLUJO ¿QUÉ ES UN FLUJO? “Es el estudio del movimiento de un fluido, en el cual se ven involucradas las leyes del movimiento de la física, las propiedades del fluido y las características del medio por el cual fluyen”. Los flujos se pueden clasificar dependiendo de: - Los cambios de velocidad y dirección de las partículas en el espacio recorrido. - Los cambios de velocidad, dirección y posición de las partículas debido al tpo. - Las variaciones en las propiedades respecto al tiempo o a los procesos termo dinámicos.

8 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: FLUJO. La primera subdivisión del flujo se tiene entre los viscosos y no viscosos, los no viscosos poseen viscosidad cero, lo cual en la realidad no existe. De los viscosos se obtiene una derivación de variados tipos.

9 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: FLUJO. En base a lo expuesto anteriormente, un flujo viscoso puede ser: - Laminar. - Turbulento. - Ideal. - Permanente. - No Permanente. - Uniforme. - No Uniforme.

10 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: TIPOS DE FLUJO Flujo Laminar: El movimiento de las partículas tiene únicamente el sentido y dirección del movimiento principal, se caracteriza por tener trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas.

11 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: TIPOS DE FLUJO. Flujo Turbulento: Las partículas del fluido tienen desplazamiento en sentidos diferentes al del movimiento principal, por lo tanto, no siguen un orden establecido. Se desarrollan mayores esfuerzos cortantes.

12 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS Diferencias entre Flujo Laminar y Turbulento:

13 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: TIPOS DE FLUJO. Flujo Uniforme: Cuando la variación de la velocidad es la misma que la variación respecto al espacio. Flujo No Uniforme: cuando existen cambios de velocidad respecto al espacio. Flujo Permanente o Estacionario: Las propiedades del fluido y las condiciones de movimiento de éste no cambian en cualquier punto con respecto al tiempo, por lo cual permanecen constantes. Flujo No Permanente o No Estacionario: Las partículas del fluido y sus características varían de un punto a otro. Flujo Ideal: Incompresible y carente de fricción, se toma como una hipótesis para así poder analizar problemas con grandes pérdidas de fluido.

14 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: CARACTERIZACIÓN DE UN FLUJO. Es posible realizar la caracterización de un flujo mediante el número de Reynolds (Re). El número de Reynolds, relaciona las variables importantes de un flujo: - Velocidad. - Tamaño de la trayectoria. - Densidad. - Viscosidad del fluido.

15 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: CARACTERIZACIÓN DE UN FLUJO. Por ende, se puede representar el número de Reynols mediante la siguiente expresión:

16 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. Los principios fundamentales de la mecánica de fluidos son: - Conservación de la masa. - Conservación de la energía. - Conservación de momentum o cantidad de movimiento. Conservación de la masa: La masa de los agentes reactivos es igual a la de los productos, por lo tanto, se establece la siguiente relación:

17 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. Conservación de la energía: “la energía no puede crearse ni destruirse, sólo cambia de una forma a otra”. Es en base a esto que se establece la ecuación de la energía, que tiene en cuenta las pérdidas que se producen por el desplazamiento de un fluido, de un punto a otro. - Para fluidos ideales: - Para un fluido real: Mejor conocido como Teorema de Bernoulli, el cual establece que para una línea de corriente, la suma de la energía cinética y la potencial es cte.

18 HIDRÁULICA: GENERALIDADES. REPASO MECÁNICA DE FLUIDOS: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES. Conservación de momentum: “Si la resultante de las fuerzas exteriores que actúan sobre un sistema de partículas es nula, la cantidad de movimiento del sistema permanece constanteç”:

19 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

20 GENERALIDADES Los conductos cerrados, permiten transportar el agua en distintas direcciones, incluso en lugares con contrapendientes. Para esto, muchas veces es necesario recurrir a cantidades de energía por unidad de peso, la cual puede ser proporcionada por unidades de bombeo.

21 FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS -Inicio con velocidad uniforme -Desarrollo de la capa límite -Flujo plenamente desarrollado HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

22 FLUJO LAMINAR Se presenta cuando las fuerzas viscosas (Fv) son mayores en relación a las fuerzas inerciales (Fi). Se presencia que el gradiente de velocidad es muy bajo, lo que permite que las partículas del fluido se desplacen pero no puedan rotar. HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

23 FLUJO TURBULENTO Las partículas poseen desplazamientos en sentidos diferentes debido a que las fuerzas de viscosidad son menores en relación a las incidentes, por lo que la viscosidad pierde su efecto Por lo tanto, para un flujo turbulento, existen transferencia permanente de cantidades de movimiento dentro del fluido, lo cual produce esfuerzos de corte HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

24 FLUJO EN TRANSICIÓN Es el cambio gradual en la energía que posee un flujo, este se presenta cuando un filamento del fluido comienza a hacerse inestable. HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

25 OBSERVACIÓN: La clasificación según Reynolds para el flujo en tuberías circulares, viene dada por tres tipos de definiciones: HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

26 ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR - Aplicando la ecuación de continuidad para el volumen de control. - Si al análisis anterior, aplicamos la ecuación de cantidad de movimiento entre los puntos 1 y 2 se obtiene: HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

27 ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR Asumiendo que el flujo está totalmente desarrollado: Las pérdidas de carga en una sección cilíndrica, vendrá siendo representada de la siguiente forma: HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

28 ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR También pueden describirse de la siguiente manera: HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS.

29 ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: DARCY-WEISBACH Mediante estudios de análisis dimensional, Darcy-Weisbach, lograron determinar que la fricción es proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud del diámetro de la corriente: Se obtiene finalmente la ecuación que permite calcular la pérdida de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas para tuberías circulares, la cual puede ser utilizada tanto en flujos laminares como turbulentos.

30 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: COEFICIENTE DE DARCY El coeficiente de Darcy depende del número de Reynolds y de la rugosidad de la tubería. A continuación se presenta el coeficiente de fricción en base a las distintas condiciones del flujo.

31 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. A partir de la ecuación de continuidad, es posible obtener la siguiente relación: El perfil de velocidad es necesario para poder realizar diferentes estudios: - Transferencias de calor. - Diseño de tuberías. - Diseño de redes. - Mediciones de flujo en un medio

32 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. Perfil de velocidad de un flujo laminar: Se aprecia como una serie de capas que se deslizan una junto a otra, este flujo suave, da como resultado un perfil de velocidad de forma parabólica. Se puede apreciar según la imagen, que los valores de velocidad, tienden a ser mayores en el centro del flujo y empiezan a decrecer a medida que se acercan hacia las paredes contenedoras.

33 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. Perfil de velocidad de un flujo laminar: Debido a la regularidad que posee el flujo a lo largo del trayecto, es posible definir una ecuación de la velocidad en cualquier punto del trayecto

34 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. Perfil de velocidad de un flujo turbulento: Posee una velocidad más cercana a lo uniforme a lo largo de la sección transversal. Se puede apreciar que las velocidades crecen de manera muy rápida en una corta distancia midiendo desde la pared hasta el el centro del flujo.

35 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. Perfil de velocidad de un flujo turbulento: A diferencia del caso anterior, la distribuciñon de velocidad en el resto de la sección transversal.

36 HIDRÁULICA: FLUJO EN CONTORNOS CERRADOS. ANÁLISIS DE UNA SECCIÓN CIRCULAR: PERFILES DE VELOCIDAD. La forma real del perfil, dependerá del factor de fricción, por lo cual, la ecuación que define la forma del perfil turbulento en conductos es: También se puede dejar expresada en función de la distancia a la pared del conducto, donde quedaría representada de la siguiente forma: