Clasificacion de Los Flujos de Fluido

UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICA

FACULTAD DE CIENCIAS DE INGENIERÍA CIVIL - HUANCAVELICA

1 MECÁNICA DE FLUIDOS I

A nuestros queridos padres, quienes desde

nuestra infancia nos forjaron con una

personalidad para llegar a ser grandes

ingenieros; por su gran apoyo constante en

la realización de nuestras metas y

proyectos emprendidos.




INTRODUCCIÓN




ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 02

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS DE FLUIDOS

CARACTERÍSTICAS

CLASIFICACION DE FLUJOS

1. SEGÚN EL NÚMERO DE COORDENADAS ESPACIALES

a) FLUJO UNIDIMENSIONAL

b) FLUJO BIDIMENSIONAL

c) FLUJO TRIDIMENSIONAL

2. ATENDIENDOSE A LOS ROZAMIENTOS INTERNOS

a) FLUJO VISCOSO

b) FLUJO INVISCIDO

3. SEGÚN LA VELOCIDAD DEL FLUJO

a) FLUJO LAMINAR

b) FLUJO TURBULENTO

4. SEGÚN LA VARIACION DE DENSIDAD

a) FLUJO COMPRENSIBLE

b) FLUJO INCOMPRENSIBLE

I. CONCLUSIONES

II. SUGERENCIAS 30

III. BIBLIOGRAFÍA 34




INTRODUCCIÓN




CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS DE FLUIDOS

Se denomina Fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre

cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es

que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas

restituidas tendentes a recuperar la forma "original“.

Así entonces, un Flujo es el estudio del movimiento de un fluido, involucrando las

leyes del movimiento de la física, las propiedades del fluido y características del

medio ambiente y conducto por el cual fluyen.

CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUÍDOS:

a) Movimiento no acotado de las moléculas: Son infinitamente deformables, los

desplazamientos que un punto material o molécula puede alcanzar en el seno

del fluido no están acotados. Esto se debe a que sus moléculas no tienen una

posición de equilibrio, como sucede en los sólidos donde la mayoría de

moléculas ejecutan pequeños movimientos alrededor de sus posiciones de

equilibrio.

b) Comprensibilidad: Todos los fluidos son comprensibles en cierto grado. No

obstante, los líquidos son altamente incomprensibles a diferencia de los gases

que son altamente comprensibles.

c) Viscosidad: Aunque la viscosidad en los gases es mucho menor que en los

líquidos. la viscosidad hace que la velocidad de deformación puede aumentar

las tensiones en el seno del medio continuo, es decir, nos permite predecir la

velocidad de un fluido y como este afecta al transporte de masa de un lugar a

otro, sabiendo que intervienen variables como la densidad, la temperatura y la

presión.

d) Distancia Molecular Grande: Esta es una característica de los fluidos la cual

sus moléculas se encuentran separadas a una gran distancia en comparación




con los sólidos y esto le permite cambiar muy fácilmente su velocidad debido a

fuerzas externas y facilita su compresión.

e) Fuerza de Van der Waals: Esta fuerza fue descubierta por el físico holandés

Johannes Van der Waals, el físico encontró la importancia de considerar el

volumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares y en la distribución de

cargas positivas y negativas en las moléculas estableciendo la relación entre

presión, volumen, y temperatura de los fluidos.

f) Ausencia de memoria de forma: Es decir, toman la forma del recipiente que lo

contenga, sin que existan fuerzas de recuperación elástica como en los sólidos.

Debido a su separación molecular los fluidos no poseen una forma definida por

tanto no se puede calcular el volumen o densidad a simple vista, para esto se

introduce el fluido en un recipiente en el cual toma su forma y así podemos

calcular su volumen y densidad, esto facilita su estudio.

CLASIFICACIÓN DE FLUJOS:

El flujo de los fluidos puede clasificarse de muchas maneras, atendiendo diversas

características y criterios de velocidad, espacio y tiempo.

1. SEGÚN EL NUMERO DE COORDENADAS ESPACIALES:

Un flujo se clasifica como de una, dos o tres dimensiones dependiendo del

número de coordenadas espaciales necesarias para especificar el campo de

velocidades. Para poder llegar a la expresión de los campos de velocidades, es

posible utilizar dos métodos para obtener dicha expresión:

Método de Lagrange.

Método de Euler.

Teniendo en cuenta esto, podemos definir los flujos de los fluidos como fluidos,

unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.




a) FLUJOS UNIDIMENSIONALES:

Es un fluido en el que el vector de velocidad solo depende de una variable

espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidades

transversales a la dirección principal del escurrimiento. Sus propiedades

varían en esa dirección y las propiedades se mantienen constantes.

Dichos flujos se dan en tuberías largas y rectas o entre placas paralelas.

b) FLUJOS BIDIMENSIONALES:

Es un flujo en el que el vector velocidad solo depende de dos variables

espaciales. Es decir en función de x e y. en este tipo de flujo se supone que

todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias




que resultan idénticas si se comparan los planos entre si, no existiendo,

cambio alguno en dirección perpendicular a los planos.

c) FLUJOS TRIDIMENSIONALES:

Es el flujo más general en el que las componentes de la velocidad en tres

direcciones mutuamente perpendiculares son funciones de las coordenadas

del espacio y del tiempo x, y, z y t.

Los métodos de análisis de este flujo son generalmente muy complicados

de manejar desde el punto de vista matemático y sólo se pueden expresar

fácilmente aquellos escurrimientos con fronteras de geometría sencilla.

Es frecuente, usar un modelo tridimensional cuando se necesita conocer la

variación del campo de velocidades en las tres componentes de velocidad.




2. ATENDIENDOSE A LOS ROZAMIENTOS INTERNOS:

a) FLUJO VISCOSO:

Viscosidad: es la medida de la adherencia interna de dos capas de un

fluido; cuando estas se mueven una en relación con la otra, se desarrolla

una fuerza de fricción entre ellas y la capa más lenta trata de desacelerar

a la más rápida.

Flujo interno: El fluido queda por completo limitado por las superficies

sólidas. (El flujo en un tubo o ducto), están dominados por la influencia

de la viscosidad en todo el campo de flujo.

Flujo viscoso: Los efectos de viscosidad son significativos.

DEFINICION:

No existe fluido con viscosidad cero y, en consecuencia, en todos los flujos

de fluidos intervienen los efectos viscosos en cierto grado. Los flujos en

donde los efectos de la fricción son significativos se llaman flujos viscosos.

Campo vectorial para flujo

Tridimensional




Los flujos viscosos incluyen la amplia clase de flujos internos, tales como

flujos en tubos, conductos y en canales abiertos. En flujos como esos los

efectos viscosos provocan perdidas sustanciales debido a las inmensas

cantidades de energía que deben ser utilizadas para transportar gas y

petróleo por oleoductos.

La condición no deslizante que produce una velocidad cero en la pared, y

los esfuerzos cortantes resultantes, conducen directamente a estas

pérdidas.

b) FLUJO INVISCIDO:

Un flujo inviscido, es aquel en los que los efectos viscosos no le influyen

significativamente, es decir son ignorados y por lo que la viscosidad se

considera como cero.

Los efectos viscosos son insignificanticos cuando los esfuerzos cortantes en

el flujo son pequeños y las áreas donde actúan son tan pequeñas, ósea no

afectan significativamente el campo de flujo, por lo que se puede considerar

como flujo inviscido.

Es difícil crear un flujo inviscido debido a que todos los fluidos de interés

tienen viscosidad como el agua, aire y etc.

Flujo de una corriente de fluido,

originalmente uniforme, sobre una placa plana y las regiones de

flujo viscoso (próximas a la

placa en ambos lados) y de flujo

no-viscoso (lejos de la placa).




Los flujos que pueden considerados como flujos inviscidos, son los flujos

externos, es decir los flujos que se encuentran en el exterior de un

cuerpo, como de la superficie de la aerodinámica o hidrodinámica.

CARASTERISTICAS:

Efectos viscosos son igual a 0 ( cero )

Los flujos externos pueden ser considerados como inviscidos.

La velocidad es cero, en la pared para la capa limite.

Requieren menos energía para transportar los fluidos.

EJEMPLOS:

Alrededor de una superficie aerodinámica.

En contracciones en el interior de los sistemas de tubería.

En regiones cortas de flujos internos donde los efectos viscosos son

insignificantes.

3. SEGÚN LA VELOCIDAD DEL FLUJO:

a) FLUJO LAMINAR:

Un flujo viscoso puede ser clasificado como un flujo laminar o un flujo

turbulento.

Flujo alrededor de una superficie aerodinámica.




El flujo laminar es aquel flujo en el que el movimiento de las partículas tiene

únicamente el sentido y dirección del movimiento principal del fluido. Se

puede presentar en un conducto cerrado trabajando a presión (tubería), en

un conducto abierto (canal) o en un conducto definido por el medio

estudiado. Por lo cual se puede representar de la siguiente forma:

En un flujo laminar el fluido fluye sin mezclado significativo de sus partículas

próximas entre sí, ya que influyen significativamente los esfuerzos cortantes

viscosos. Por eso es que si se le inyectará un colorante, el flujo no se

mezclaría con el fluido cercano excepto por actividad molecular pero en ese

caso conservará su identidad durante un tiempo relativamente largo.

Este tipo de flujo depende en gran medida del tiempo, pudiendo dividirse en:

Flujo discontinuo:




Flujo continuo:

Al evaluar lo que sucede a una pequeña perturbación del flujo laminar, es

decir la perturbación de las componentes de velocidad, si la perturbación

aumenta el flujo es inestable y posiblemente llegará a ser turbulento, si la

perturbación disminuye el flujo permanece laminar.

Este flujo también puede convertirse en un flujo laminar diferente, como en

el caso de flujo entre cilindros concéntricamente rotatorios, a bajas

velocidades de rotación se desarrollará en círculos simples pero a una

velocidad suficientemente alta el flujo se hace inestable, aparecen vórtices,

es mucho más complejo, denominándose ya flujo de Taylor-Conette.

Para comprender mejor la diferencia entre flujos laminares y turbulentos se

tiene el régimen de flujo, en el cual el flujo depende de tres parámetros

físicos que describen las condiciones de flujo y son:

La longitud del campo de flujo, tal como el espesor de una capa límite o

el diámetro de un tubo, si está es suficientemente grande la perturbación

del flujo laminar puede incrementarse y llegar a ser turbulento.

La escala de velocidad, con un velocidad suficientemente grande el flujo

laminar puede llegar a ser turbulento.




La viscosidad cinemática, si es suficientemente pequeña el flujo laminar

puede llegar a ser turbulento.

Al combinarse en uno solo tales parámetros, nos ayuda como herramienta

para predecir un régimen de flujo. Esta cantidad es el número de Reynolds,

un parámetro sin dimensiones, que se expresa de la siguiente forma:

Luego, si el número de Reynolds es relativamente pequeño el flujo es

laminar, si es grande el flujo es turbulento.

Para una mayor precisión se define un número de Reynolds crítico, el cual

es diferente para cada geometría y tipo de material en el que se encuentre

el flujo, pudiendo variar desde 2000 hasta 40000 o más, de modo que el flujo

es laminar si 𝑅𝑒 < 𝑅𝑒𝑐𝑟í𝑡.

En el caso de que el flujo sea intermitentemente turbulento y laminar se llama

flujo intermitente, el que puede ocurrir cuando el número de Reynolds se

aproxima al número de Reynolds crítico.

𝑅𝑒 =𝑉𝐿

𝑣

DONDE:

𝑉: es la velocidad

𝐿: es la longitud

𝑣: es la viscosidad cinemática




Y por último es importante tener en claro que no es apropiado referirse a un

flujo inviscido como laminar o turbulento, pues este actúa como una corriente

libre, afuera de la capa límite entre el flujo laminar y turbulento, es decir en

un flujo externo.

b) FLUJO TURBULENTO:

Un flujo turbulento es cuando los movimientos del fluido varían

irregularmente de tal forma que la velocidad y presión muestran una

variación aleatoria con el tiempo y las coordenadas espaciales.

La turbulencia de un flujo se caracteriza por su naturaleza fluctuante,

movimiento caótico y aparentemente aleatorio, es el resultado de la perdida

de estabilidad de un flujo laminar.

En un flujo turbulento existe mucha mezcla, debido a que la velocidad en

cada punto no es contante. Dicha velocidad presenta una fluctuación en el

tiempo, produciendo una alta disipación de energía.

Las cantidades físicas con frecuencia se describen mediante promedios

estadísticos.

Flujo turbulento continuo: Es un flujo en la que las cantidades físicas

promedio dependen del tiempo y no cambian con este.

Flujo turbulento discontinuo: Es un fluido en la que las cantidades físicas

promedio no dependen del tiempo.




DESARROLLO DE LA TURBULENCIA:

La turbulencia no aparece de manera súbita en un flujo, para que esta se

mantenga en su forma completa desarrollada deben pasar varias etapas.

Consideremos una capa límite sobre una placa plana:

Conforme se avance en la dirección longitudinal de la placa, va creciendo el

valor de Re, por lo que podemos ver cómo se desarrolla la turbulencia desde

el flujo laminar.




Cerca del punto donde el flujo se encuentra a la placa se desarrolla una

capa limite laminar ordinaria, puesto que en este primer tramo el Re no

es muy grande.

Cuando el valor de Re alcanza un cierto valor crítico, los primeros

indicios de la pérdida de estabilidad se manifiestan: aparecen las ondas

T-S (Tollminen - Schlichting), que son perturbaciones en la dirección

perpendicular al flujo. Estas son ondas pero aún son laminares.

Un poco más adelante, aumentando un poco el Re, estas ondas

transversales comienzan a perder estabilidad y pierden su forma

transversal. En esta etapa comienza a aparecer un componente de la

vorticidad en la dirección del flujo.

Aumentando un poco más el Re, el siguiente fenómeno que se observa

es la aparición de la estructura unidireccional del flujo. Se dice que tanto

la velocidad y la vorticidad so tridimensionales.

Aguas abajo sobre la placa comienza a aparecer paquetes de

turbulencia completamente desarrollada. Estos paquetes, o manchas,

crecen en tamaño y frecuencia de aparición.

Finalmente, los paquetes se unen y se crea la zona de turbulencia

completamente desarrollada.

EXPERIMENTO Y NUMERO DE REYNOLDS:

En 1883 Osborne Reynolds realizo un experimento para poner en

evidencia las diferencias entre flujo laminar y turbulento; este

experimento consistió en inyectar tinta en un flujo de fluido a una cierta

velocidad en una tubería cilíndrica de sección constante.




Entonces se dio con la sorpresa que a medida que aumenta la velocidad

del fluido, llega un momento en la que el fluido se vuelve turbulento, por

lo tanto cuando el flujo es turbulenta, la tinta se mezcla con el agua en

una forma inmediata, diluyéndose en esta.

A partir de este experimento fue donde Reynolds saco la siguiente

conclusión:

El comportamiento de un fluido depende del régimen del flujo, laminar o

turbulento.

El número de Reynols es una herramienta que nos sirve para determinar

y predecir el tipo de flujo, el parámetro adimensional que depende de la

densidad y viscosidad del fluido analizado es la siguiente:

Representa el coeficiente entre las fuerzas de inercia del flujo y las

fuerzas debidas a la viscosidad, y mide la influencia relativa a esta

última.

Si: 𝑅𝑒 ≥ 4000; Entonces el fluido es

turbulento (debido a altas

velocidades o bajas viscosidades.)

𝑅𝑒 =𝜌. 𝑉. 𝐿

𝜇=

𝑉. 𝐿

𝑣




PROPIEDADES DE LA TURBULENCIA:

Naturaleza fluctuante: Tanto la presión como la velocidad fluctúan

alrededor de un valor medio, las fluctuaciones son de naturaleza

tridimensional.

Aparición de remolinos: Las capas de fluido están acomodadas en

estructuras coherentes llamadas remolino o vórtices, estos vórtices tiene

una amplia distribución de tamaños que van desde la dimensión del flujo

hasta (tamaño del contenedor) hasta el tamaño en el cual se disipa el

movimiento bajo la acción de la viscosidad (escala de kolmogorov).

Mantenimiento autónomo: Un flujo turbulento pueden mantenerse

turbulento así mismo. Los remolinos grandes generan remolinos

pequeños.

Disipación: Puesto que el flujo es autónomo, la ruptura sucesiva de

vórtices a escalas más pequeñas, llevara eventualmente a la generación

de vórtices del tamaño de la escala de kolmogorov; una vez alcanzada

este tamaño, el movimiento se disipa por el efecto de la viscosidad. En

otras palabras el flujo turbulento caerá progresivamente.

Mezclado: el hecho de que el flujo turbulento se fluctuante hace que la

difusión del calor, masa y momentum sean más efectivos que la difusión

molecular.

ESCALAS DE LA TURBULENCIA:

Habitualmente esta variedad de torbellinos de diferentes escalas que existen

en cualquier flujo turbulento se puede agrupar en tres escalas:

Macro escala: Es la escala asociada a los vórtices más grandes, sean

U, V y T la velocidad, la longitud y el tiempo, característicos de estos




vórtices. El número de Reynols asociado será el mismo que el del flujo

principal: 𝑅𝑒 =𝑉.𝐿

𝑣 ; las características de estos grandes torbellinos

dependen de las condiciones de contorno del flujo y presentan un

marcado carácter anisótropo (dependientes de la dirección).

Escalas Intermedias: Son escalas inferiores a la macro escala, en las

que todavía no existe disipación de energía; se van a denominar 𝜇, λ y τ

a la velocidad, longitud y tiempo característicos de estos vórtices.

Micro escala: Es la escala más pequeña, en la que se produce la

disipación de energía; sus valores característicos se van a denominar

u0, λ0 y τ0. Estos torbellinos presentan un carácter isótropo, es decir, el

flujo ha olvidado de donde procede.

4. SEGÚN LA VARIACIÓN DE DENSIDAD:

a) FLUJOS COMPRENSIBLES:

Un flujo incompresible existe si la densidad de cada partícula del fluido

permanece relativamente constante conforme se desplaza a través del

campo de flujo, esto es:

Esta no demanda que la densidad permanezca constante en todas las

partes. Si la densidad es constante entonces obviamente el flujo es

incompresible, pero esa es una condición más restrictiva. El flujo

atmosférico, en el que 𝜌 = 𝜌(𝑧), donde z es vertical, los flujos que incluyen

placas adyacentes de agua dulce y salda, como sucede cuando los ríos

entran en el océano, son ejemplos de flujo incompresibles en los que la

densidad varía.

𝐷𝜌

𝐷𝑡= 0




Además de flujos de líquido, los flujos de gas la baja velocidad, como el del

fluido atmosférico antes citado, también se consideran como flujos

incompresibles. El número de Mach, nombrado así en honor a Ernest Mach

(1838 - 1916), se define como:

Donde V es la velocidad del gas y la velocidad de onda 𝑐 = √𝑘𝑅𝑇. La

ecuación anterior es útil para decidir si un flujo de gas particular puede ser

estudiado como flujo incompresible. Si M < 0.3, las variaciones de la

densidad son cuando mucho de 3% y se supone que el flujo es

incompresible; para aire estándar éste corresponde a una velocidad por

debajo de 100 m/s o 300 pies/s.

Por ejemplo, un auto a 100km/h en atmósfera estándar posee un Mach de

aproximadamente de 0.1, con lo cual en esas condiciones podemos

considerar que el flujo es incompresible.

b) FLUJOS INCOMPRENSIBLES:

Si M>0.3, la variación de la densidad influye en el flujo y se deberán tener

en cuenta los efectos de comprensibilidad; tales flujos son flujos

compresibles.

Los flujos de gas incompresibles incluyen flujos atmosféricos, como la

aerodinámica del aterrizaje y el despegue de aviones comerciales, los flujos

de aire de calefacción y aire acondicionado, el flujo alrededor de automóviles

y a través de radiadores, y el flujo alrededor de edificios, por mencionar

algunos. Los flujos compresibles incluyen la aerodinámica de aviones de alta

velocidad, el flujo de aire a través de motores de reacción, el flujo de vapor

a través de una turbina en una planta eléctrica, el flujo de aire en un

𝑀 =𝑉

𝑐




compresor, y el flujo de la mezcla de aire-gas en un motor de combustión

interna.




CONCLUSIONES:

SUGERENCIAS:




I. BIBLIOGRAFÍA:

Libros y/o Artículos:

Merle C. Potter, MECÁNICA DE FLUIDOS Tercera Edición

Robert Mott, MECÁNICA DE FLUDISO, Sexta edición.

Irvin H. Shames, Mecánica de fluidos, Tercera edición.

Universidad Francisco de Paula Santander – Resumen – TESIS DE

GRADO – Ivan Hernando Ramirez Mendoza.

Páginas Webs:

https://es.scribd.com/doc/176215079/03-Introduccion-Dinamica-

Fluidos-I

https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_incompresible

http://neetescuela.com/tag/flujos-inviscidos/

https://translate.google.com.pe/translate?hl=es&sl=pt&u=https://pt.wikip

edia.org/wiki/Fluxo_inv%25C3%25ADscido&prev=search

https://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_laminar

http://www.cultek.com/aplicaciones.asp?opc=introduccion&p=Aplicacio

n_Flujo_Laminar

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http://www.cultek.com/aplicaciones.asp?opc=introduccion&p=Aplicacion_Flujo_Laminar

http://www.cultek.com/aplicaciones.asp?opc=introduccion&p=Aplicacion_Flujo_Laminar

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