Mecánica de Fluidos
Conceptos Fundamentales
Masa y Peso
Masa: es la propiedad de un cuerpo de fluido que se mide por su inercia o resistencia a un cambio de movimiento. Es una medida de cantidad de fluido (m, kg).
Peso: Es la cantidad que pesa un cuerpo. Es la fuerza de atracción gravitacional F entre 2 cuerpos, de masas m1 y m2, dada por la Ley de Gravitación de Newton (fórmula). Donde G es la constante universal de gravitación y r la distancia entre los centros de las dos masas. Si m1 es la masa m de un objeto sobre la superficie de la Tierra y m2 la masa M de la Tierra, entonces r es el radio de la Tierra, por lo que: (fórmula).
Sólido vs. Fluido
Las moléculas de un sólido suelen estar más próximas entre sí que las de un fluido. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de un sólido son tan grandes que éste tiende a mantener su forma.
Un sólido elástico ideal se deformará al aplicar una carga y volverá a su estado inicial cuando se deje de aplicar.
Algunos sólidos son plásticos. Éstos se deformarán al aplicar una carga suficiente y seguirán deformándose mientras se aplica la carga, siempre y cuando no se produzca la ruptura del material. La deformación continuará cuando se quita la carga, pero el sólido plástico no volverá a su estado inicial.
Éste no es el caso de los fluidos, donde la fuerza de atracción entre las moléculas es más pequeña. Las fuerzas de cohesión intermoleculares en un fluido son insuficientes para mantener unidos los diversos elementos del fluido. Por tanto, un fluido bajo la aplicación del esfuerzo más mínimo fluirá y seguirá fluyendo mientras esté presente.
Gas vs. Líquido
Un fluido puede ser un gas o un líquido. Las moléculas de un gas están mucho más separadas que las de un líquido. Por tanto, un gas es altamente compresible, y al quitar toda presión externa, tiende a expandirse indefinidamente. Como consecuencia, un gas sólo está en equilibrio cuando está completamente encerrado.
Un líquido es relativamente incompresible, y si se quita toda presión, salvo la de su propia presión de vapor, la cohesión entre las moléculas las mantiene unidas, por lo que el líquido no se expande indefinidamente. Por tanto, un líquido puede tener una superficie libre, es decir, una superficie que no experimenta ninguna presión, salvo la de su propio vapor.
El volumen de un gas es muy sensible a cambios de presión y/o temperatura. Por tanto, suele ser necesario tener en cuenta los cambios de volumen y de temperatura a la hora de tratar con gases o vapores.
Viscosidad
Viscosidad: La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a la deformación cortante o angular.
Medición de la Viscosidad
Viscosímetros Rotatorios
Usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluido. La velocidad se puede cambiar modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de rotación.
Viscosímetro de Tambor Girado
Se hace girar el tambor exterior a una velocidad angular constante, w, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario. Por consiguiente, el fluido que está en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad lineal, v, conocida, mientras que el fluido que está en contacto con el tambor interior tiene una velocidad cero. Se pone una consideración especial al fluido que se encuentra en el fondo del tambor, pues su velocidad no es uniforme en todos los puntos. Debido a la viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo de un momento (torque) cuya magnitud puede medirse con un torquímetro sensible.
Viscosímetros Capilares
Que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo de fluido a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y controlada. Conforme el fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante, el sistema pierde algo de energía, ocasionando una caída de presión que puede ser medida utilizando un manómetro.
Viscosímetros Estándar Calibrados Capilares de Vidrio
Se utilizan para medir la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos. Para preparar la prueba de viscosidad, el tubo viscómetro es cargado con una cantidad específica de fluido de prueba. Después de estabilizarse en la temperatura de prueba, se saca mediante succión el líquido a través del bulbo y se le deja ligeramente por encima de la marca de regulación superior. Se retira la succión y se permite al líquido fluir bajo el efecto de la gravedad. Se registra el tiempo requerido para que el borde superior del menisco pase de la marca superior a la inferior.
Viscosímetro de Caída de Bola
Cuando un cuerpo cae en fluido bajo la sola influencia de la gravedad, se acelera hasta que la fuerza que lo mueve hacia abajo queda igualada por la fuerza de flotación y la fuerza de arrastre viscoso que actúan hacia arriba. La velocidad que adquiere en ese momento se denomina velocidad terminal.
Principio de Pascal
Principio de Pascal: Un aumento de presión en un punto de un fluido en reposo y encerrado en un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido. «Cualquier aumento de presión en la superficie de un fluido se transmite a cualquier punto del fluido». (Aplicación: prensa hidráulica).
Presión
Presión absoluta: si se mide la presión con respecto al cero absoluto.
Presión manométrica: si se mide con respecto a la presión atmosférica como base. Esto se debe a que prácticamente todos los medidores de presión registran cero cuando están expuestos a la atmósfera, por lo que miden la diferencia entre la presión del fluido al que están conectados y la del aire circulante. Si la presión está por debajo de la presión atmosférica, se denomina presión de vacío, depresión y su valor manométrico es la cantidad por debajo de la presión atmosférica a la que se encuentra.
Tipos de Flujo
Sección transversal: perpendicular al eje de simetría del flujo.
Trayectoria: Lugar geométrico de las posiciones que va ocupando con el tiempo una determinada partícula de flujo.
Línea de flujo: Son líneas cuya tangente es en todos los puntos paralela al vector velocidad en un mismo instante.
Tubo de flujo: fluido que circula en el interior de una superficie tubular formada por las distintas líneas de flujo alrededor de una superficie.
Caudal: volumen de fluido que atraviesa una sección en una unidad de tiempo.
Clasificación del Flujo
Permanente/Variable
Permanente: estacionario; características medidas en cualquier sección, no varían durante el tiempo de estudio.
Variable: transitorio; sí cambian dichas características.
Uniforme/No Uniforme
Uniforme: la velocidad media de todas las secciones transversales es la misma.
No uniforme: la velocidad media de todas las secciones transversales es distinta.
Laminar/Turbulento
Laminar: el fluido se mueve por capas, sin que las partículas de una capa pasen a otras.
Turbulento: las partículas de fluido se mueven en un movimiento irregular en todas direcciones.
Incompresible/Compresible
Incompresible: fluido con velocidad constante.
Compresible: su densidad es función de la presión absoluta y de la temperatura absoluta.
Presión/Gravedad
En el flujo fluido si la fuerza primaria que mueve dicho fluido es la gravedad se denomina flujo a gravedad, en el resto de los casos se denomina flujo a presión.
Dispositivos para Reducir el Golpe de Ariete
- Chimenea de equilibrio
- Calderín de aire
- Amortiguadores con vejiga
- Válvulas de seguridad
- Válvulas anticipadoras de onda
- Válvulas de regulación de presión
- Válvula de retención intercaladas
- Ventosas
Clasificación del Flujo en Canales Abiertos
Según el Tiempo
Permanente: la velocidad no varía con el tiempo, no depende del tiempo luego el caudal es constante.
No permanente: la velocidad varía con el tiempo, el caudal por tanto varía con el tiempo.
Según el Espacio
Uniforme: la velocidad del flujo no cambia ni en magnitud ni en dirección y la superficie del líquido es paralela al fondo del canal. Solo ocurre cuando la sección del canal es constante, el caudal por lo tanto es constante.
Variable: la superficie del líquido es diferente en cada tramo manteniéndose constante el caudal, pues varía la sección mojada. El cambio de profundidad puede ser brusco o suave y entonces tenemos 2 subdivisiones: – Flujo variado rápido y – Flujo variado gradual.
Según el Caudal
Caudal constante: Uniforme y variado.
Caudal variable.
Según el Número de Froude
Subcrítico o tranquilo: si el número de Froude es menor que 1. En este caso la velocidad del líquido es pequeña y una perturbación puede propagarse aguas arriba. Si F=1 el flujo se denomina crítico.
Supercrítico o rápido: si el número de Froude es mayor que 1. En este caso una perturbación no puede propagarse aguas arriba.
El flujo más simple de tratar es el permanente uniforme, pues el flujo no cambia ni con la distancia ni con el tiempo.
Turbomaquinas
Son equipos diseñados para conseguir un intercambio energético entre un fluido y un eje de rotación, por medio del efecto dinámico de una o varias coronas de álabes. Los nombres que reciben las coronas fijas y móviles son, respectivamente, rotor y estator. Se diferencian de las máquinas de desplazamiento positivo en que existe continuidad entre el fluido que entra y por tanto el intercambio energético se produce de forma continua. Una turbomaquina consta fundamentalmente de una rueda de álabes (rodete), que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior.
Clasificación Según la Dirección del Flujo en el Rodete
Según la dirección del flujo en el rodete, las turbomaquinas pueden ser axiales, radiales o mixtas.
- Axiales: el desplazamiento del flujo en el rodete es paralelo al eje, cada partícula del flujo se mueve por el rodete a la misma distancia del eje. No tiene pues componente radial, solo componentes tangenciales y axiales.
- Radiales: el desplazamiento del flujo en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial.
- Mixtas: el desplazamiento del flujo en el rodete tiene las 3 componentes: axial, radial y tangencial.
En la actualidad las más usadas son: – turbinas de vapor (axial) – turbinas de gas (axiales) – turbinas hidráulicas (axial y mixtas) – bombas hidráulicas (axiales, radiales, mixtas) – turbocompresores (axial y radiales).
Bombas
La transformación de energía mecánica en energía de un fluido, se realiza mediante bombas si se trata de fluidos incompresibles, en fluidos compresibles se realiza mediante ventiladores, soplantes y compresores.
Tipos de Bombas
- Desplazamiento positivo: 1) Rotatorias (de engranes, de paleta, de tornillo, de cavidad progresiva y de lóbulo o álabe) 2) Reciprocantes (de pistón, de inmersión, de diafragma)
- Cinéticas: 1) de flujo radial (centrífuga) 2) de flujo axial (de impulsor) 3) de flujo mixto
- De propulsión o tipo ejecutor.
Parámetros Impulsados en la Selección de una Bomba Rotodinámica
- La naturaleza del líquido que se va a bombear
- El caudal a elevar
- Las condiciones en el lado de la succión de la bomba
- Las condiciones en el lado de la descarga de la bomba
- La altura de elevación total de la bomba
- El tipo de sistema al que la bomba está entregando el fluido
- Las condiciones ambientales
- El tipo de fuente de alimentación
- Limitaciones de espacio, peso y posición.
Definición de Fluido
Fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. (dibujo). Si la fuerza F no deja de actuar, las partículas que en un instante dado la sección AB, al cabo de sucesivos tiempos, ocuparán las sucesivas posiciones AB’ AB» AB»’, haciéndose cada vez más pequeño el ángulo β, es decir, se deforma continuamente mientras no cese la actuación F.