Fundamentos de Mecánica de Fluidos

Conceptos Básicos

Sistema: Porción de materia que se estudia. En instalaciones o máquinas térmicas e hidráulicas, el sistema suele ser un fluido, compresible (gas o vapor) en las primeras e incompresible en las segundas. En este caso, nos centraremos en fluidos incompresibles.

Límite, Frontera o Contorno: Superficie real o imaginaria que envuelve al sistema.

Medio Exterior: Conjunto de sistemas que influyen sobre el sistema en estudio, también llamado entorno.

Fluido: Sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial, por pequeño que sea.

Sistemas

Sistema Cerrado: Aquel cuya masa no varía durante un proceso, como un gas dentro de un cilindro.

Sistema Abierto o de Flujo: Aquel que fluye respecto de un contorno, como un fluido en una tubería o turbina.

Sistema Adiabático: Aquel cuya pared no permite el paso de calor, importante en instalaciones y máquinas hidráulicas.

Flujo

Trayectoria: Lugar geométrico de las distintas posiciones que ocupa una partícula a través del tiempo.

Línea de Flujo: Formada por la posición instantánea de una serie de partículas, como un hilo, donde cada partícula está en la dirección del vector velocidad.

Tubo de Flujo: Superficie tubular formada por líneas de flujo alrededor de una superficie. El fluido en su interior se denomina tubo de flujo.

Caudal: Volumen de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo.

Regímenes

Régimen Permanente o Estacionario: Cuando las características medias (velocidad, presión, densidad) en cualquier sección no varían en el tiempo de estudio.

Régimen Variable o Transitorio: Cuando dichas características cambian. Ej: Válvula abierta (variable), válvula cerrada (estacionario).

Régimen Uniforme: Cuando la velocidad media en todas las secciones transversales es la misma.

Régimen Laminar (Poiseuille): Movimiento ordenado y estratificado en capas que no se mezclan, con trayectorias de moléculas paralelas. El flujo se desliza en tubos concéntricos cilíndricos. (Flujo viscoso a baja velocidad en tubería de pequeño diámetro).

Régimen Turbulento: Movimiento caótico de partículas que se mueven desordenadamente. Las trayectorias se entrecruzan formando remolinos que aumentan la resistencia al movimiento. (Flujo poco viscoso a alta velocidad en tubería de gran diámetro).

Viscosidad: Propiedad que determina la resistencia a las fuerzas cortantes (tangenciales), es decir, a la fuerza paralela al área sobre la que actúa y su deformación. Al deslizarse las moléculas, se produce fricción. Las fuerzas entre moléculas de un fluido y un sólido en contacto se definen como fuerzas de adhesión. Un fluido no ofrece resistencia a la deformación por esfuerzo cortante, a diferencia de un sólido.

Esfuerzo Constante (τ): Resistencia por unidad de superficie entre dos láminas deslizantes, proporcional a la viscosidad del fluido (dinámica o absoluta) y al gradiente de velocidad.

Cavitación: Fenómeno en líquidos a altas velocidades dentro de un conducto; consiste en la formación de cavidades o burbujas en puntos donde la presión es muy baja (igual a la tensión de vapor del líquido). Según la ecuación de Bernoulli, la presión mínima se da donde la velocidad es máxima, por lo que la cavitación se forma junto a los álabes de bombas, en estrangulaciones y en hélices marinas.

Estática de Fluidos

Equilibrio: Ausencia de movimiento relativo entre partículas.

Líquido en Reposo: La energía total (presión + posición) es la misma en todos los puntos.

Tubo Piezométrico: Tubo abierto conectado al punto donde se quiere medir la presión (para presiones pequeñas).

Manómetro Diferencial: Mide la diferencia de presiones entre dos puntos (líquido en reposo).

Transformador Diferencial Lineal Variable: Usa un tubo Bourdon que actúa sobre un núcleo, que al desplazarse cambia la reluctancia.

Estatoreactores: Motor térmico más simple, sin partes móviles (excepto bombas de combustible).

Turboreactores: Estatoreactor con un turbocompresor-turbina.

Resistencia de Flujos Externos

Capa Límite: Capa del fluido pegada al contorno donde ocurre el gradiente de velocidad. Puede ser muy delgada y afecta a flujos subsónicos, donde la resistencia se debe a efectos viscosos. Es la capa de fluido alrededor de un contorno donde se produce un gradiente de velocidad. La resistencia a la deformación solo se siente en la capa límite en fluidos poco viscosos.

Número de Reynolds: Valor que condiciona el paso de régimen laminar a turbulento, que varía al modificar el diámetro, velocidad o viscosidad.

Longitud Equivalente: Método que sustituye un accesorio por una longitud de tubería que origine la misma pérdida por rozamiento.

Tubo Venturi: Dos troncos de cono invertidos intercalados en la conducción. Se usa para enderezar el flujo y medir caudales. Provoca una diferencia de presiones, siendo el caudal función de dicha diferencia. Midiendo ΔP se puede determinar Q.

Sifón: Aplicación de la ecuación de Bernoulli para trasvasar fluido entre recipientes. El efecto sifón no se produce si la salida está al nivel del depósito superior. Cuanto más abajo esté la salida, mayor será la velocidad. En el punto B, la presión es mínima y no debe alcanzar la presión de vapor (cavitación).

Nudo de Caudal: Aquel cuyo caudal externo está definido, generalmente nudos de consumo.

Nudo de Presión: Aquel cuya altura piezométrica se fija o se conoce.

Nudo de Paso: Aquel sin consumo ni confluencia de caudales.

Resistencia de Forma: En un cuerpo que avanza lentamente en un fluido, la presión delante y detrás se compensa. Sin embargo, puede haber desprendimientos de la capa límite, dependiendo de la forma del cuerpo y del flujo.

Golpe de Ariete: Al anular el caudal en una conducción, la primera rodaja de flujo se detiene, luego la segunda comprimiendo a la primera, y así sucesivamente. Este aumento de presión es como un golpe audible en la conducción.

Volante de Inercia: Retrasa la anulación de caudal en una parada imprevista, reduciendo las sobrepresiones.

Chimenea de Equilibrio: Se instala en impulsiones importantes con perfil adecuado; al principio con mucha pendiente para que la distancia entre la bomba y la chimenea sea pequeña y la chimenea no sea muy alta.

Calderín de Aire: Recipiente con aire a presión aguas abajo de la válvula de tensión en la salida de la bomba. La compresibilidad del aire amortigua las depresiones y sobrepresiones.

Amortiguadores de Aire con Vejiga: Para evitar el arrastre y disolución del aire en el calderín, se encierra el aire en una vejiga, evitando el contacto entre aire y agua.

Turbomaquina: Consta de un rodete con álabes que gira al pasar un fluido por su interior. Los álabes cambian la cantidad de movimiento del flujo, generando una fuerza que realiza un trabajo (trabajo interior o técnico).

Turbinas de Acción: La transformación de energía potencial en cinética ocurre en órganos fijos antes del rodete.

Turbinas de Reacción: La transformación de energía potencial en cinética ocurre en el rodete, que solo recibe energía potencial.

Pérdidas Internas: Pérdidas de energía en el flujo entre la entrada y salida de la turbomaquina.

Pérdidas Volumétricas: El caudal que entra y sale no coincide con el que pasa por el rodete, ya que parte circula por los intersticios entre rodete y carcasa.

Pérdidas Mecánicas: Rozamientos del prensaestopas y cojinetes con el eje.

Tensión Superficial: Propiedad de un fluido en la superficie de contacto entre dos fluidos (SLL) con origen en la cohesión molecular. Actúa como una fina membrana elástica. Son fuerzas pequeñas que disminuyen con la temperatura. En un líquido pulverizado, las fuerzas de cohesión tienden a formar superficies de área mínima (gotas esféricas).

Presión de Vapor: Presión de saturación del vapor. Presión del vapor en equilibrio con el líquido. Cada líquido tiene una presión de saturación específica para cada temperatura. Un líquido ebulle a una presión determinada (presión de saturación) si la presión a la que se encuentra es mayor o igual a la presión de saturación. Es importante en máquinas e instalaciones hidráulicas por la posible cavitación.

Resistencia de Forma: Producida por un gradiente de presiones adverso, originado al desprenderse la capa límite (resistencia al avance). El desprendimiento de la capa límite genera una estela de turbulencia (magnitud de la estela = magnitud de la resistencia de forma). Depende de la forma del contorno. Diseños aerodinámicos retrasan el punto de rompimiento, generando una estela pequeña (ΔP pequeña).

Radio Hidráulico (Rh): Permite calcular las Hf (ecuación de Darcy-Weisbach, Re) en conductos cerrados o abiertos de sección no circular. Rh = área transversal ocupada por la corriente / perímetro mojado de la sección transversal (la superficie en contacto con la atmósfera casi no presenta rozamiento).

Máquinas Hidráulicas: El fluido que intercambia energía no varía su densidad significativamente. Diseño y estudio bajo hipótesis de ρ=cte (fluido incompresible). Estudio desde la Mecánica de Fluidos.

Máquinas Térmicas: El fluido que intercambia energía varía su densidad significativamente. Diseño y estudio bajo hipótesis de ρ≠cte (fluido compresible). Estudio desde la Termodinámica. Fp = ρgA

Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje ascendente igual al peso del líquido que desaloja. Peso del cuerpo > empuje: se hunde. Peso del cuerpo < empuje: flota. Peso del cuerpo = empuje: se mantiene sumergido.

Redes de Distribución Mallada: Tuberías principales conectadas entre sí formando una trama. Cada punto se alimenta por ambos lados. Mayor garantía de servicio que una ramificada.

Red de Distribución Mixta: Combinación de red mallada y ramificada. En una red mallada, se pueden alimentar puntos externos mediante ramificaciones. Es la más usada en ciudades.

Red de Distribución Ramificada: Tubería principal que parte del depósito, de la que parten tuberías secundarias con diámetros cada vez menores. El agua circula en un solo sentido, formando una estructura de árbol. Una rotura corta el suministro a las demás.

Menisco: Curva en la superficie de un líquido por las fuerzas de adhesión o cohesión molecular entre el líquido y el recipiente.

¿Qué propiedad de los fluidos se relaciona con la cavitación?

La presión. Todo líquido tiene una Ps (presión de saturación) para cada temperatura. Si aumenta T, también aumenta Ps. La cavitación es un fenómeno físico donde un líquido, en ciertas condiciones, pasa a estado gaseoso y luego a líquido. Un fluido al cavitar produce una descompresión, al alcanzar la presión de vapor las moléculas cambian a estado de vapor, formando burbujas o cavidades. Las burbujas viajan a zonas de mayor presión donde implosionan, generando una estela de gas y un arranque del metal de la superficie que origina el fenómeno.

Tubo de Pitot: Permite calcular v0, debe estar alineado con la corriente. Crea un punto de estancamiento.

Semejanza: Permite predecir el comportamiento del prototipo (p) a partir de resultados experimentales en un modelo (m) a escala. El modelo debe ser geométricamente semejante al prototipo. Semejanza dinámica: Las fuerzas en puntos homólogos de ambos deben ser semejantes.

Paradoja de D’Alembert: Fluidos poco viscosos (aire, agua) ofrecen gran resistencia al desplazamiento.