MECÁNICA DE FLUIDOS DEFINICIONES Y PROPIEDADES

Transcripción

1 José Agüera Soriano MECÁNICA DE FLUIDOS DEFINICIONES Y PROPIEDADES

2 José Agüera Soriano DEFINICIONES Y CONCEPTOS PRELIMINARES SISTEMA FLUJO PROPIEDADES DE UN FLUIDO VISCOSIDAD DE TURBULENCIA

3 José Agüera Soriano Sistema Cualquier porción de materia a estudiar. Un fluido será el sistema elegido. A la superficie, real o imaginaria, que lo enuele se llama límite, frontera o contorno. El conjunto de arios sistemas puede formar uno solo; o bien, un sistema puede descomponerse en muchos os, sistemas parciales.

4 José Agüera Soriano Medio exterior de un sistema El conjunto de sistemas que influye sobre el sistema en estudio será el medio exterior de éste. El medio ambiente suele formar parte del medio exterior. La influencia sobre el sistema puede ser térmica debida a una diferencia de temperaturas, o mecánica debida a una diferencia de presiones.

5 Clasificación de sistemas Sistema cerrado Es aquel cuya masa no aría durante un cambio de situación; por ejemplo, de la posición I a la II del émbolo h receptor mecánico SISTEMA p S ps F I II José Agüera Soriano

6 José Agüera Soriano Sistema abierto, o flujo Es aquel que se muee, o fluye, con relación a un contorno olumen de control 2

7 FLUJO Sección transersal La que es perpendicular al eje de simetría del flujo. Línea de flujo La formada por la posición instantánea de una serie de partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha de estar en la dirección del ector elocidad de la anterior. José Agüera Soriano

8 José Agüera Soriano Tubo de flujo Una superficie (ds, por ejemplo) está rodeada por líneas de flujo que formarán una superficie tubular (como una tripa). Al fluido que circula en su interior se le llama tubo de flujo. 2 1 ds S

9 José Agüera Soriano Caudal Llamamos caudal (olumétrico) Q al olumen de fluido que atraiesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal másico m& a la masa correspondiente: dq = m& = ρ Q ds Q = S ds Q = V S S ds V perfil de elocidades

10 José Agüera Soriano Clasificaciones Permanente, o estacionario Variable, o transitorio V V V A B 1 2 Uniforme V ' C D No uniforme t 1 t 2 tiempos

11 José Agüera Soriano Clasificaciones Laminar Turbulento V V laminar turbulento A experimento de Reynolds V

12 Osborne Reynolds Belfast ( ) José Agüera Soriano

13 José Agüera Soriano PROPIEDADES DE UN FLUIDO Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas cuyo alor nos define el estado en que se encuentra. Son propiedades la presión, la temperatura (común a todas las sustancias), la densidad, la iscosidad, la elasticidad, la tensión superficial, etc.

14 José Agüera Soriano Definición de un fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. B B' F C C' u F placa móil A α sólido D B A α u β B' B'' B''' fluido placa fija

15 José Agüera Soriano Viscosidad Viscosidad (µ) de un fluido es la resistencia a que las distintas láminas deslicen entre sí. Ley de Newton de la iscosidad La resistencia debida a la iscosidad depende además de la ariación de elocidad entre las capas: elocidad de deformación (d/dy).

16 José Agüera Soriano Esfuerzo cortante τ Es la resistencia por unidad de superficie que aparece entre dos láminas deslizantes τ = µ d dy (ley de Newton) perfil de elocidades F perfil de elocidades placa móil dy τ dy d' d τ placa fija d > d placa fija

17 Isaac Newton (Inglaterra ) José Agüera Soriano

18 José Agüera Soriano Unidades de iscosidad dinámica en el S.I. µ = τ dy d N s/m 2 o bien (1 N = 1 kg m/s 2 ), µ = τ dy d kg/(m s)

19 Viscosidad cinemática En el S.I. de Unidades: µ kg/(m s) µ 2 ν = = m ρ 3 kg/m ρ En grados Engler ( o E) y en números SAE: ν = 10 8 A la temperatura de 50 o C, 731 o E 631 o E ν = µ/ρ s m s SAE o E Diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire). José Agüera Soriano

20 José Agüera Soriano Causas de la iscosidad a) Cohesión molecular b) Intercambio de cantidad de moimiento La iscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de moimiento. La cohesión y por tanto la iscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura. En cambio, la actiidad molecular y en consecuencia la iscosidad de un gas aumenta con ella.

21 alta iscosidad José Agüera Soriano

22 alta iscosidad José Agüera Soriano

23 baja iscosidad José Agüera Soriano

24 baja iscosidad José Agüera Soriano

25 José Agüera Soriano Compresibilidad Coeficiente de compresibilidad κ Líquidos: κ = 1 p p 2 Gases: κ = 1 d dp p 1 Módulo de elasticidad olumétrico K p K = líquido p + p

26 José Agüera Soriano Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) Por ejemplo, si el fluido es agua, para ps = 2 bar, ts = 120 o C para ps = 1 bar, ts = 100 o C para ps = 0,01 bar, ts = 7 o C

27 José Agüera Soriano En instalaciones hidráulicas hay situaciones en las que la presión del agua puede disminuir tanto que el puede herir. La burbujas de apor llegan a zonas de mayor presión, y el apor se condensa. Las caidades acías son rellenadas con ímpetu por el agua que las enuele (se han llegado a medir hasta el millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo; serían como picotazos que reciben las paredes, que serían corroídas en muy poco tiempo. Por ejemplo, a la salida del rodete de una turbina Francis coniene que el agua salga con bastante depresión; aunque sólo hasta el límite de caitación.

28 José Agüera Soriano caitación rodete burbuja de apor caidad acía implosión V d

29 corrosión por caitación José Agüera Soriano

30 José Agüera Soriano VISCOSIDAD DE TURBULENCIA Sobre cada partícula actúa un par de fuerzas. Si es pequeño respecto de la iscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar. De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efecto similar a la iscosidad en los gases: iscosidad aparente y/o iscosidad de turbulencia: τ = ( µ + η) d dy F 1 1 M 2 1 F 2 2

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