Monografia de Mecanica de Fluidos - Malvaceda Requejo

MECÁNICA DE FLUIDOS

Alumno: Malvaceda Requejo Christian André

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO, GAS NATURAL Y PETROQUÍMICA

Código: 20131425J

1. ÍNDICE

pág.

Objetivos 3

Propiedades de los fluidos 4

Flujo compresible 5

Flujo incompresible 6

Flujo permanente 7

Flujo no permanente 8

Flujo rotacional 9

Flujo irrotacional 9

Aplicación y ramas de la mecánica de fluidos 10

Bibliografía 11



2. OBJETIVO

Actos tan cotidianos como tomar una ducha, respirar o beber agua, requiere necesariamente la circulación de fluidos. El estudio de la mecánica de fluidos puede ayudarnos tanto para comprender la complejidad del medio natural, como para mejorar el mundo que hemos creado. Si bien la mecánica de fluidos está siempre presente en nuestra vida cotidiana, lo que nos falta conocer es como se expresa esta información en términos cuantitativos, o la manera en que se diseñan sistemas con base en este conocimiento, mismos que se utilizaran para otros fines.El conocer y entender los principios básicos de la mecánica de fluidos es esencial en el análisis y diseño de cualquier y sistema en el cual el fluido es el elemento de trabajo. Hoy en día el diseño de virtualmente todos los medios de transporte requiere la aplicación de la mecánica de fluidos. Entre estos se incluyen tanto los aviones como maquinas terrestres, barcos, submarinos y típicamente automóviles. El diseño de sistemas de propulsión para vuelos especiales y cohetes está basado en los principios de la mecánica de fluidos.



3. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la

utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gasas. Sin embargo la masa específica, el peso específico

y la densidad son atributos de cualquier materia.



PRINCIPIO DE ARQUIMIDES

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.Para el autor John Müller, Arquímedes fue el más grande investigador de mecánica de fluidos de todos los tiempos; ya que él fue quien descubrió las propiedades de los fluidos sometidos a diversas circunstancias. Además el desarrollo como nadie más, el mayor número de postulados

fundamentales acerca del tema.

4. FLUJO COMPRESIBLE

Se denomina flujo compresible a aquel fluido cuya densidad varía significativamente ante un cambio de presión. Tanto los gases, como los líquidos y los sólidos, todos disminuyen su volumen cuando se les aplica una presión. La relación entre la variación de volumen y la variación de presión, es una constante K, propia de cada material, que depende de la elasticidad del mismo.

K=−ΔPΔVV



El valor de K es muy grande para sólidos y líquidos, ya que varían escasamente su volumen (por lo tanto su densidad) ante una variación de presión. Es por esta razón que se dice que la mayoría de los sólidos y líquidos son incompresibles. En cambio, el valor de K es muy pequeño para los gases, dado que ante una gran presión, su volumen disminuye mucho. Entonces decimos que la mayoría de los gases son fluidos compresibles.La compresibilidad de un fluido también se puede evaluar mediante la velocidad en que se transmiten pequeñas perturbaciones dentro del mismo fluido. A esta velocidad se le llama velocidad sónica, o velocidad del sonido en el fluido. Los fluidos compresibles tienen bajas velocidades sónicas; en los flujos incompresibles, la velocidad sónica es alta.De esta manera, a una atmósfera y 20 grados Celsius, la velocidad del sonido en el agua es de 1483,2 metros por segundo, en el aire, la velocidad sónica es 331,3 metros por segundo.La relación entre la velocidad del flujo (V) y la velocidad del sonido (c) en el medio fluido se le llama número de Mach.

M=Vc

Para valores de Mach menores a 0.3, los cambios de densidad son solamente del entorno del 2% ante variaciones de presión, por lo tanto, fluidos con Mach menor que 0.3 se consideran incompresibles. En líquidos, la velocidad del sonido en alta, por lo tanto el Mach es pequeño, siendo fluidos incompresibles.Según su número de Mach, los fluidos compresibles se pueden clasificar en:

Fluidos subsónicos: con Mach menor que 1. Fluidos sónicos: Mach igual a 1. Fluidos supersónicos: con Mach mayor a 1.

En una clasificación más completa, tenemos: Flujo incompresible: Mach menor que 0.3. Flujo subsónico: Mach entre 0.3 y 0.8. Flujo transónico : Mach entre 0.8 y 1.2 Flujo supersónico: Mach entre 1.2 y 3.0 Flujo hipersónico. Mach mayor que 3.0

Los flujos compresibles tienen aplicaciones en variadas áreas. Un ejemplo muy común son los sistemas de aire comprimido que se usan en equipos dentales y herramientas de taller, tuberías de alta presión para transportar gases, entre otros. Los efectos de la compresibilidad de fluidos son muy importantes en el diseño de aeronaves de alta velocidad.



5. FLUJO INCOMPRESIBLE

Un flujo se caracteriza como incompresible dependiendo siempre de la variación de la densidad del fluido y de la velocidad que desarrolle, es decir, si la densidad del flujo no varía a lo largo del fluido, se caracteriza directamente como incompresible.Para una explicación más comprensible, cuando los líquidos, que son los que corresponden generalmente al grupo de los incompresibles, no sufren alteración alguna en todas las porciones de fluido sobre el curso de movimiento, son fluidos incompresibles.Una presión de 210 atm, hace que un líquido aumente su densidad en sólo un 1 por ciento.Un flujo se convierte en incompresible cuando los cambios que sufre la temperatura no son de una calidad tan importante, lo que los convierte en cambios despreciables.Muchos estudiosos de la química han dedicado parte de su vida al estudio de los flujos compresibles e incompresibles, vamos a citar a varios de ellos y a sus principales teorías.La ecuación de Bernoulli es una de las más utilizadas en la mecánica de fluidos. Consta de demostrar que en el límite de números Match, se crea un criterio para decidir la compresibilidad de un flujo.Esta ecuación, considera al calor como un flujo estacionario sin esfuerzo constante. Para finalizar, la ecuación de Bernoulli es una aproximación a los números, que puede tener un margen de error de hasta un dos por ciento, lo que no despierta una consideración importante a la hora de realizar la ecuación química.Navier Strokes es otro de los estudiosos que entran en nuestra lista. El tensor de esfuerzo, por definición, es linealmente proporcional al tensor de razón de formación.Aunque los componentes de esta ecuación se resolvieron en coordenadas de tipo cartesiano, es de todas formas una ecuación diferencial, parcial de segundo orden, por lo que antes de resolver este tipo de ecuaciones, es necesario elegir un sistema coordenado para expandir las ecuaciones en él.La mecánica de fluidos sostiene que la compresibilidad, es decir, si un flujo es compresible o incompresible, depende de la naturaleza de la que provenga y de los cambios que sufra al momento de que sea alterada su presión, y si su temperatura sufre cambios significativos como para que puedan ser apreciables y no despreciables.Un dato curioso, que no está demás agregar, es que la ecuación de Navier Stokes es sólo aplicable para fluidos Newtonianos, es decir, viscosos y de conductividad térmica, entre otros.



6. FLUJO PERMANENTE

Llamado también flujo estacionario. Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo, es decir:

∂ p∂ t

=0 ∂T∂ t

=0 ∂ ρ∂ t

=0

Dado al movimiento errático de las partículas de un fluido, siempre existen pequeñas fluctuaciones en las propiedades de un fluido en un punto, cuando se tiene flujo turbulento. Para tener en cuenta estas fluctuaciones se debe generalizar la definición de flujo permanente según el parámetro de interés, así:

N t=1t∫0

t

Ndt

Donde:

Nt: es el parámetro velocidad, densidad, temperatura, etc.

El flujo permanente es más simple de analizar que él no permanente, por la complejidad que le adiciona el tiempo como variable independiente.

7. FLUJO NO PERMANENTE

Llamado también flujo no estacionario. En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo, además si las características en un punto determinado varían de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente, es decir:

∂N∂t≠0



Donde:

N: parámetro a analizar.

El flujo puede ser permanente o no, de acuerdo con el observador.

8. FLUJO ROTACIONAL

Es aquel en el cual el campo Rot V adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.



9. FLUJO IRROTACIONAL

Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector Rot V es igual a cero para cualquier punto e instante.

Rot V=∇×V=| i j k∂∂xV x

∂∂ yV y

∂∂ zV z

|En el flujo irrotacional se exceptúa la presencia de singularidades vorticosas, las cuales son causadas por los efectos de viscosidad del fluido en movimiento.

10. APLICACIÓN Y RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDO

La mecánica de fluidos se ha dividido en diferentes ramas que cubren diferente aspectos de la ingeniería, la física, las matemáticas, etc. Están destinadas a solucionar problemas de la vida cotidiana así como para desarrollar nueva tecnología y descubrir nuevos campos de la ciencia.Para Vernard J.K. las aplicaciones de la mecánica de fluidas se pueden en un número infinito, ya que todo depende de los fluidos, directa e indirectamente. Un ejemplo palpable para demostrar tal afirmación es el suponer que la tierra está conformada de un 75% de agua.Las principales ramas de la mecánica de fluidos son la aerodinámica, supersónica entre otras, además de diversos conceptos como. Las ondas de choque y la maximización de la eficiencia.Según Jerry D. Wilson la mecánica de fluidos es tan extensa como el número de líquidos y fluidos que conozcamos en nuestro entorno; ya que según el enfoque que se le dé al estudio de dicho fluido dependerán también las ramificaciones que se deriven de este tema que se haya escogido.



Las aplicaciones de la mecánica de fluidos son muy diversas, pero se emplean más en aeronáutica, construcción de navíos, compresores, maquinaria industrial, mecanismos neumáticos e hidráulicos, etc.Pero en general en cualquier parte donde se tenga un fluido se podrán aplicar los términos y conceptos que para el tema estén desarrollados.

11. BIBLIOGRAFÍA



INTRODUCCION A LA MECANICA DE FLUIDOS. Fernández Larrañaga Bonifacio. MECANICA DE FLUIDOS. Fay A. James ELEMENTOS DE MECANICADE FLUIDOS. FUNDAMENTOS BASICOS DE MECANICA DE FLUIDOS. Williams, Gareth LA MECANICA DE FLUIDOS Muller John



Monografia de Mecanica de Fluidos - Malvaceda Requejo

Documents

Transcript of Monografia de Mecanica de Fluidos - Malvaceda Requejo