CONCEPTOS Y EXPERIMENTOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS

Transcripción

1 VIII Congreso Nacional de Ciencias Exloraciones fuera y dentro del aula 7 y 8 de agosto, 006 Universidad Earth, Guácimo, Limón, Costa Rica CONCEPTOS Y EXPERIMENTOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS Ing. Carlos E. Umaña, MSc. caruma1@gmail.com VIII CONGRESO NACIONAL DE CIENCIAS Y ESTUDIOS SOCIALES UNIVERSIDAD EARTH AGOSTO 006

2 DINÁMICA DE FLUIDOS CLASIFICACIÓN DEL FLUJO SEGÚN EL MEDIO EN QUE SE DESPLAZA CON DESCARGA EN DUCTO: Q CTE (NORMALMENTE SE PUEDE AJUSTAR) SE PUEDE APLICAR EL TEOREMA DE BERNOULLI CIRCUITO CERRADO Ejemlo: Túnel de viento FLUJO CHORRO Y MEDIO DEL MISMO FLUIDO EXPUESTO (CHORRO): Q VARIABLE ABANICO CON DUCTO FLUIDOS DIFERENTES

3 CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES DE FLUJO BOMBAS o ABANICOS ESTABLES (Presión y flujo constante) Q TANQUES CON REGULADOR DE PRESIÓN Y FLUJO Ejemlos: Tanques de oxígeno, jeringa con fuerza constante. FUENTES DE FLUJO VARIABLES: Acumuladores en los que el flujo y la resión varían con el tiemo durante la descarga a la atmósfera. Por ejemlo globo de hule. Q tiemo 3

4 PRINCIPIOS BÁSICOS EN DINÁMICA DE FLUIDOS 1. LEY DE CONTINUIDAD Definición de Caudal: A = Área de sección v = Velocidad en la sección Q = A v Para flujo en un ducto Q 1 = Q. ECUACIÓN DE BERNOULLI Q 1 Q La ecuación de Bernoulli es una forma simlificada de la rimera de la rimera ley de la termodinámica y establece un balance entre la energía de resión y la energía cinética de un flujo en un conducto. Por lo tanto la suma de ambos términos en un unto dado reresenta en rinciio la energía total del fluido en ese unto. En el caso de un gas una forma adecuada es la siguiente donde cada término reresenta la energía or unidad de volumen: = resión ρ = Densidad v = Velocidad 1 + ρ v 1 = + ρ v 4

5 En el caso de un líquido una forma adecuada es la siguiente: γ v 1 g 1 + z + = + z + 1 γ v g γ = eso esecífico z = Altura relativa de los untos analizados Cada término reresenta la energía or eso. En un conducto la resión estática relativa uede ser (+), (-) o cero debido a los cambios de velocidad que originan los 3. LEY DEL IMPULSO Se obtiene a artir de la segunda ley de Newton. Si el caudal y la densidad se mantienen constantes durante el cambio de velocidad entonces: r r F = ρ Q v Es muy imortante observar que como la velocidad es una cantidad vectorial, la fuerza se uede originar or un cambio de magnitud, dirección y/o sentido del vector velocidad. EXPERIMENTOS 1. Inflando y desinflando un globo 1.1 Energía de resión alicada al inflar. 5

6 E = 1 dv 1. Conversión de energía al desinflar V Energía otencial de resión Energía Cinética Alicando la ecuación de Bernoulli se obtiene: v = / ρ 1.3 Alicación de la Ley del Imulso. El globo se imulsa cuando se deja escaar el aire debido al cambio de velocidad del aire de cero en el interior del globo a v dado or la ecuación anterior F = ρ Q v v F 6

7 . Visualización de la resión negativa en un chorro de aire a diferentes distancias x del orificio de descarga. El chorro uede ser generado or un abanico o or un tanque de aire con reguladores de resión y flujo. X FLUJO PAJILLA Con este exerimento se uede demostrar que la resión estática en el seno de un fluido de descarga siemre es negativa y que la resión negativa disminuye conforme la ajilla se aleja de la salida del flujo. La altura de la columna de agua corresonde a la resión manométrica negativa. La figura adjunta resenta una distribución de velocidades tíica de un chorro de descarga de un abanico. A menor velocidad menor resión negativa. 7

8 3. Demostración con atomizadores. Esta demostración sirve ara confirmar lo que se demuestra en el exerimento. Además se uede comarar el funcionamiento de un atomizador simle y de uno con eyector. ATOMIZADOR SIMPLE EYECTOR 4. Bola de ing ong en equilibrio en flujo de aire Se uede utilizar una secadora de elo CONAIR Mod.14RP de 1875 W o similar con una botella de lástico como reductor de diámetro ara aumentar la velocidad de salida o descarga. Este exerimento ermite establecer una relación de equilibrio entre la fuerza de arrastre, la fuerza de sustentación, el eso y el ángulo de inclinación del flujo, con lo cual se ueden calcular todas las fuerzas conociendo el eso de la bola. 8

9 Las mediciones realizadas en el exerimento ermiten deducir el origen de la sustentación en este caso. Como ejercicio se recomienda establecer las diferencias entre los factores que originan la sustentación en la bola de ing ong y las condiciones que roducen la sustentación en un ala de avión. A A = ARRASTRE S = SUSTENTACIÓN P = PESO S α P A P BOTELLA PLÁSTICA S SECADORA 5. Alicación de ecuación de Bernoulli con jeringa como fuente a resión y flujo constante. 1 v v + z + 1 = + z γ 1 g γ + g 9

10 Alicar la ecuación en los untos 1 y del montaje que se muestra en la figura. Demostrar la imortancia de las erdidas de energía. PESO 937g FLUJO Z 13.1 cm 1 SOPORTE DE MADERA NIVEL DE REFERENCIA MOVIL JERINGA 50cc TUBO PLASTICO Z 1 = 0 V 1 0 = 0 Z = 13.1 cm Calcular el área del émbolo y determinar 1. Cronometrar el cambio de volumen y calcular Q. A artir de Q calcular V. REFERENCIAS EXPLORACIONES FUERA Y DENTRO DEL AULA MEMORIA 005 Carlos Enrique Umaña Quirós, Exerimentos en la Enseñanza de las Ciencias: Estática de Fluidos y Conceto de Vacío. 10