Mecnica de Fluidos (FICT-01651)

IntroduccinLa Mecnica de Fluidos estudia el comportamiento de los

fluidos en reposo (esttica de fluidos) o en movimiento(dinmica de fluidos).

La mecnica de fluidos tambin se menciona comodinmica de fluidos al considerar a los fluidos en reposocomo un caso especial con velocidad cero.

Categoras:Hidrodinmica. Estudio de fluidos incompresibles. Lquidos y

gases a bajas velocidadesAerodinmica. Flujo de gases sobre cuerpos a altas o bajas

velocidadesDinmica de los gases. Flujo de fluidos con cambios

significativos en densidad, y gases a altas velocidades

Introduccin

La Mecnica de Fluidos abarca una amplia gama defenmenos que ocurren en la naturaleza (con o sinintervencin humana), y en ingeniera.

Es muy probable que durante su carrera como ingeniero usted estarinvolucrado en el anlisis y diseo de sistemas que requieren una buenacomprensin de la mecnica de fluidos !!

Introduccin

La hidrulica es una subcategora de la hidrodinmica queestudia los flujos de lquidos en tubos y canales abiertos.

La hidrologa trata los flujos que ocurren de manera natural.

Aplicaciones de la Mecnica de Fluidos eningeniera:Diseo de canales y presasAnlisis de flujos de las aguas subterrneasBombas y compresoresSistemas de tuberas utilizados para transportar fluidosDesarrollo de dispositivos de medicin de flujoAerodinmica de automviles y aviones

Introduccin

Slido:Distancia pequea entre molculas. Fuerza de atraccin grandes. Molculas en posiciones relativamente fijas.Lquido:Distancia pequea entre molculas. Fuerzas intermoleculares menores. Molculas no estn en posiciones fijas.Gas:Molculas alejadas entre s. No existe orden molecular. Movimiento aleatorio de molculas

Estados de agregacin de la materia

Qu es un fluido?

1.1 Conceptos bsicos

Por lo aprendido en Fsica, una sustancia en la fase lquida o en lagaseosa se conoce como fluido (Cengel & Cimbala, 2006)

Qu es un fluido? Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la

aplicacin de un esfuerzo cortante de cualquier magnitud (Munson,2013)

Un fluido es cualquier sustancia que no puede sostener un esfuerzocortante cuando est en reposo (Fox & McDonald, 2012)

Un fluido es una sustancia que se mueve y deforma continuamentemientras se aplica sobre la superficie de ste un esfuerzo cortante(White, 2011)

1.1 Conceptos bsicos

Nota:Un esfuerzo cortante secrea siempre que unafuerza tangencial actasobre una superficie.

Qu es un fluido?Toda sustancia (medio continuo) fcilmente deformable al sersometido a un esfuerzo cortante.

Al aplicar la fuerza tangencial, placa inferior permanece fija, y elbloque se deforma.

La aplicacin del esfuerzo cortante genera un gradiente develocidades en la seccin del fluido.

1.1 Conceptos bsicos

Al aplicar una fuerza tangencial a un slido y un fluido entre dos placasplanas:

A diferencia del slido, el fluido continua deformndose tanto comosea aplicada la fuerza tangencial F.

La tasa de deformacin del fluido depender de la magnitud de suviscosidad .

La tasa de deformacin del slido depende de su mdulo de rigidez.

1.1 Conceptos bsicos

Fluido vs. Slido

Traccin Compresin Esfuerzocortante

Slido Resiste hasta que se rompe

FluidoGas Se deforma

Lquido No resiste Se deforma (poco) Se deforma

Fluido vs. Slido1.1 Conceptos bsicos

1.2 Propiedades de los fluidos

El fluido como medio continuo La hiptesis del medio continuo, es la hiptesis en la que se basa

toda la Mecnica de Fluidos.

En Mecnica de Fluidos resulta muy conveniente descartar lanaturaleza atmica de una sustancia. Se asume que la materia eshomognea y continua, sin agujeros; es decir, un medio continuo(Cengel & Cimbala, 2006)

Se asume que el fluido es continuo a lo largo del espacio queocupa, ignorando su estructura molecular y las discontinuidadesasociadas a esta.

Vlida en tanto el tamao del sistema con el que se trate sea grande en relacin con el espacio entre las molculas.

1.2 Propiedades de los fluidos

El fluido como medio continuo La idealizacin del fluido como un medio continuo permite tratar las

propiedades como funciones de punto y suponer que varan demanera continua en el espacio, sin discontinuidades por salto.

Cada propiedad de fluido se supone que tiene un valor definido encada punto en el espacio.

Propiedades de fluidos tales como la densidad, temperatura ovelocidad son considerados como funciones continuas de posicin ytiempo.

La densidad del agua en un vaso es la misma en cualquier punto

1.2 Propiedades de los fluidos

PropiedadesEl estado de un sistema se describe por sus propiedades, y puede serespecificado por completo mediante dos tipos de propiedades.

Propiedades intensivas: independientes dela masa de un sistema Temperatura Presin DensidadPropiedades extensivas: valores dependendel tamao del sistema Masa total Volumen

1.3 Propiedades de los fluidos

Densidad (absoluta)Designada por el smbolo griego

Propiedad escalar, definida como la relacin entre la masa de un sistema y el volumen que ocupa

(, ) =

= 3

= 3Utilizada para caracterizar la masa

de un sistema fluido

1.3 Propiedades de los fluidos

Densidad La densidad de una sustancia depende de la temperatura y de la

presin En Lquidos (incompresibles): su variacin es despreciable a los

cambios de presin. En Gases: Directamente proporcional a la presin e inversamente

proporcional a la temperatura.

1.3 Propiedades de los fluidos

Peso especficoDesignada por el smbolo

griego

Definida como el peso de un fluido por unidad de volumen

= =

Utilizada para caracterizar el peso de un sistema fluido

En el sistema internacional sus unidades son 3, en el sistema ingls son 3

1.3 Propiedades de los fluidos

Razn entre la densidad de unasustancia y la una sustancia estndar atemperatura especificada.

Densidad del agua a 4C (39F)1000 3

1.94 3

= @4

Gravedad especfica

1.3 Propiedades de los fluidos

Densidad de los gases idealesEcuacin de estado: relacin entre presin, temperatura y volumen de una sustancia. Para gases ideales .= ..

es la presin absoluta es el volumen es nmero de moles es la constante universal de los gases (8.314 kJ/kmol.K) es la temperatura termodinmica (en Kelvin)

Valor de N= /Donde es la masa y es el peso molecular del gas

1.3 Propiedades de los fluidos

Presin de saturacin ()Presin a la cual una sustancia pura cambia de fase.Ejemplo: a una temperatura de 100C, la presin de saturacin del agua es de 1 atmsfera.

Presin de vapor ()La presin de vapor es la presin ejercida por su vapor en equilibrio de fases con su lquido a una temperatura dada.

Para procesos de cambio de fase entre fases lquida y de vapor, la presin de saturacin y la de vapor son equivalentes.Es as que, el valor de la presin ser el mismo si se mide en la fase de vapor o en la lquida.

1.3 Propiedades de los fluidos

Cuando se evapora el agua?

0.01

0.10

1.00

10.00

0 20 40 60 80 100 120

lquido

vapor

Curva de presin de vapor del agua

Pres

in

abso

luta

[bar

]

Temperatura [C]

Cavitacin Para el caso de un lquido, la cavitacin es la vaporizacin que

puede ocurrir en puntos donde ocurre una descompresin sbita del fluido por debajo de la presin de vapor.

Cuando las burbujas de vapor formadas se alejan de la regin de presiones menores a Pv hacia zonas de mayor presin, stas regresan de manera sbita a su estado lquido e implosionan.

El colapso de las burbujas de vapor forma cavidades que aceleran el fluido circundante y producen un aumento localizado de presin.

1.3 Propiedades de los fluidos

Coeficiente de compresibilidadPropiedad que indica la facilidad de un fluido para disminuir su volumen por efecto del incremento de presin.

=

Se emplea el mdulo volumtrico de elasticidad .

1.3 Propiedades de los fluidos

En Mecnica de Fluidos se considera que los lquidos son fluidos incompresibles (principalmente el agua).Excepto en el anlisis de transitorios hidrulicos (golpe de ariete).

Tensin superficial

1.3 Propiedades de los fluidos

Tensin superficial

1.3 Propiedades de los fluidos

Para recordar: en la superficielibre de los lquidos se presentanfenmenos de adhesin ycohesin.

La fuerza de tensin superficial esla fuerza resultante de lainteraccin entre las fuerzas decohesin entre molculas dellquido y la fuerza de atraccin destas y el aire.

Cambia de manera considerablecon la presencia de impurezas(qumicos surfactantes)

Tensin superficial

1.3 Propiedades de los fluidos

En el caso de esferas de agua: La tensin superficial acta como un interfaz entre la superficie del

agua lquida y el aire sobre ella. Las molculas por debajo de la superficie son atradas entre ellas y

por las que estn en la superficie.

Efecto de capilaridad

1.3 Propiedades de los fluidos

Lquido en contacto con un slido que lo contiene: F adhesin (lquido-pared) > F cohesin (lquido-lquido), la

superficie libre del agua se curva hacia abajo (fluido moja ) F adhesin (lquido-pared) < F cohesin (lquido-lquido), la

superficie libre del agua se curva hacia arriba (fluido no moja )

Existen fluidos cuyas densidades son aproximadamente similarespero comportamientos totalmente diferentes al fluir. (agua y aceite)

Son la densidad ( ) y el peso especfico ( ) propiedadessuficientes como para caracterizar el comportamiento de un fluido?

Ser necesario disponer de una propiedad adicional para describirla fluidez de los fluidos, es decir, la resistencia interna almovimiento.

Cada fluido puede ser categorizado a partir de la relacin queexiste entre el esfuerzo cortante aplicado y el flujo del fluido (Fox &McDonald, 2011)

Viscosidad1.3 Propiedades de los fluidos

Medida cuantitativa de la resistencia de un fluido a fluir.

Medida de resistencia a la deformacin.

Debida a la fuerza de friccin interna que se desarrolla entre las diferentes capas de los fluidos a medida que stas se mueven una con relacin a otras.

Depende de la temperatura como de la presin

Propiedad de los fluidos que representa la resistencia a deformarseante un esfuerzo tangencial o cortante.

Relaciona causa (esfuerzo) y efecto (deformacin)

Viscosidad1.3 Propiedades de los fluidos

Ley de Viscosidad de Newton

Sobre la capa de fluido se genera un esfuerzo cortante =

El perfil de velocidades vara de manera lineal con la distanciavertical medida desde la placa inferior =

Viscosidad1.3 Propiedades de los fluidos

Deformacin angular debida aldesplazamiento de la placa: =

=

=

Al reordenar la razn dedeformacin:

=

Ley de Viscosidad de Newton

La razn de deformacin (y gradiente de velocidad) es directamente proporcional al esfuerzo cortante

=

(Ley de viscosidad de Newton)

es esfuerzo cortante es el coeficiente de viscosidad

razn de deformacin del fluido

Viscosidad1.3 Propiedades de los fluidos

Viscosidad dinmica1.3 Propiedades de los fluidos

Viscosidad dinmica o absoluta () Depende de Temperatura (principalmente) y Presin Se manifiesta si hay movimiento. DIMENSIONES: [. 1.1]

Viscosidad dinmica1.3 Propiedades de los fluidos

Viscosidad dinmica o absoluta (), osimplemente viscosidad

Propiedad que relaciona el esfuerzocortante y el movimiento del fluido

Depende de la Presin y Temperatura(principalmente)

Se manifiesta si hay movimiento. DIMENSIONES: [. 1.1]

Viscosidad cinemtica1.3 Propiedades de los fluidos

Relacin entre viscosidad dinmica (o absoluta) y la densidad.

=

DIMENSIONES: [2.1] Unidades: 2 ; stoke (1 stoke = 1 2 ) Viscosidad cinemtica del agua a 20C es 1.01x106 2 Correccin de viscosidad cinemtica para el agua:

= 1.8.61 + 0.03620862. + 0.00015909.2

Viscosidad cinemtica y dinmica

1.3 Propiedades de los fluidos

Lquidos: viscosidad dinmica y cinemtica son prcticamente independientes de la presin.

Se descarta variacin con presin, excepto a presiones extremadamente elevadas.

Gases: Se descarta variacin en la viscosidad dinmica (a presiones bajas hasta moderadas)

La densidad de un gas es proporcional a su presin. Se considera variacin de viscosidad cinemtica.

Viscosidad cinemtica y dinmica

1.3 Propiedades de los fluidos

Viscosidad: comportamiento newtoniano

1.3 Propiedades de los fluidos

Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo (agua).

En los fluidos newtonianos la curva que describe la variacin de velocidad de deformacin respecto al esfuerzo cortante aplicado es lineal.

El rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar matemticamente por la relacin:

=

(Ley de viscosidad de Newton) Para los fluidos no newtonianos la viscosidad vara con la

temperatura y la tensin cortante que se le aplica (sangre, grasas, miel, jabones, alquitrn)

Su comportamiento es estudiado por la reologa.

Viscosidad: comportamiento newtoniano

1.3 Propiedades de los fluidos

Captulo 1. Introduccin1.1 Conceptos bsicos1.2 Propiedades de los fluidos1.3 Gases idealesIntroduccinNmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Qu es un fluido?Qu es un fluido?Qu es un fluido?Fluido vs. SlidoFluido vs. SlidoNmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25ViscosidadViscosidadViscosidadViscosidadViscosidad dinmicaViscosidad dinmicaViscosidad cinemticaViscosidad cinemtica y dinmicaViscosidad cinemtica y dinmicaViscosidad: comportamiento newtonianoViscosidad: comportamiento newtoniano