Transcript Cinemática Teoría

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
(teorema de momentum)
del
Movimiento
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
Flujo Laminar:
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
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
V
t
V
t
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.