José Agüera Soriano 2011 1 MECÁNICA DE FLUIDOS DEFINICIONES Y PROPIEDADES
José Agüera Soriano 2011 2 DEFINICIONES Y CONCEPTOS PRELIMINARES SISTEMA FLUJO PROPIEDADES DE UN FLUIDO VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
José Agüera Soriano 2011 3 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.
José Agüera Soriano 2011 4 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.
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 2011 5
José Agüera Soriano 2011 6 Sistema abierto, o flujo Es aquel que se muee, o fluye, con relación a un contorno 2 1 1 olumen de control 2
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 2011 7
José Agüera Soriano 2011 8 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
José Agüera Soriano 2011 9 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
José Agüera Soriano 2011 10 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
José Agüera Soriano 2011 11 Clasificaciones Laminar Turbulento V V laminar turbulento A experimento de Reynolds V
Osborne Reynolds Belfast (1842-1912) José Agüera Soriano 2011 12
José Agüera Soriano 2011 13 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.
José Agüera Soriano 2011 14 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
José Agüera Soriano 2011 15 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).
José Agüera Soriano 2011 16 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
Isaac Newton (Inglaterra 1643-1716) José Agüera Soriano 2011 17
José Agüera Soriano 2011 18 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)
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 10 20 30 40 50 60 o E 3 5 5 7 7 9 9 12 12 19 19 27 2 Diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire). José Agüera Soriano 2011 19
José Agüera Soriano 2011 20 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.
alta iscosidad José Agüera Soriano 2011 21
alta iscosidad José Agüera Soriano 2011 22
baja iscosidad José Agüera Soriano 2011 23
baja iscosidad José Agüera Soriano 2011 24
José Agüera Soriano 2011 25 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
José Agüera Soriano 2011 26 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
José Agüera Soriano 2011 27 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.
José Agüera Soriano 2011 28 caitación rodete burbuja de apor caidad acía implosión V d
corrosión por caitación José Agüera Soriano 2011 29
José Agüera Soriano 2011 30 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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