MECÁNICA DE FLUIDOS DEFINICIONES Y PROPIEDADES José Agüera Soriano 2011 1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS PRELIMINARES • SISTEMA • FLUJO • PROPIEDADES DE UN FLUIDO • VISCOSIDAD DE TURBULENCIA José Agüera Soriano 2011 2 Sistema Cualquier porción de materia a estudiar. Un fluido será el sistema elegido. A la superficie, real o imaginaria, que lo envuelve se llama límite, frontera o contorno. El conjunto de varios sistemas puede formar uno solo; o bien, un sistema puede descomponerse en muchos os, sistemas parciales. José Agüera Soriano 2011 3 Medio exterior de un sistema El conjunto de sistemas que influye sobre el sistema en estudio será el medio exterior de éste. El medio ambiente suele formar parte del medio exterior. La influencia sobre el sistema puede ser térmica debida a una diferencia de temperaturas, o mecánica debida a una diferencia de presiones. José Agüera Soriano 2011 4 Clasificación de sistemas Sistema cerrado Es aquel cuya masa no varía durante un cambio de situación; por ejemplo, de la posición I a la II del émbolo receptor mecánico SISTEMA h p· p ·SS F I II José Agüera Soriano 2011 5 Sistema abierto, o flujo Es aquel que se mueve, o fluye, con relación a un contorno 1 2 volumen de control 1 José Agüera Soriano 2011 2 6 FLUJO Sección transversal La que es perpendicular al eje de simetría del flujo. Línea de flujo La formada por la posición instantánea de una serie de partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha de estar en la dirección del vector velocidad de la anterior. v v v v v v v v José Agüera Soriano 2011 7 Tubo de flujo Una superficie (dS, por ejemplo) está rodeada por líneas de flujo que formarán una superficie tubular (como una tripa). Al fluido que circula en su interior se le llama tubo de flujo. 2 v 1 dS S José Agüera Soriano 2011 8 Caudal Llamamos caudal (volumétrico) Q al volumen de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal másico m a la masa corresQ pondiente: m dQ Q perfil de velocidades v dS S v dS v S dS v Q V S v v v V José Agüera Soriano 2011 9 Clasificaciones •Permanente, o estacionario •Variable, o transitorio V V A V 1 B C V' t1 t2 2 D •Uniforme •No uniforme tiempos José Agüera Soriano 2011 10 Clasificaciones Laminar Turbulento V V laminar turbulento experimento de Reynolds V A José Agüera Soriano 2011 11 Osborne Reynolds Belfast (1842-1912) José Agüera Soriano 2011 12 PROPIEDADES DE UN FLUIDO Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas cuyo valor nos define el estado en que se encuentra. Son propiedades la presión, la temperatura (común a todas las sustancias), la densidad, la viscosidad, la elasticidad, la tensión superficial, etc. José Agüera Soriano 2011 13 Definición de un fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. B B' F C C' B sólido A u D v v F u B' placa móvil B'' B''' fluido A placa fija José Agüera Soriano 2011 14 Viscosidad Viscosidad ( ) de un fluido es la resistencia a que las distintas láminas deslicen entre sí. Ley de Newton de la viscosidad La resistencia debida a la viscosidad depende además de la variación de velocidad entre las capas: velocidad de deformación (dv/dy). José Agüera Soriano 2011 15 Esfuerzo cortante Es la resistencia por unidad de superficie que aparece entre dos láminas deslizantes dv dy (ley de Newton) perfil de velocidades v v perfil de velocidades F placa móvil dy v dy placa fija José Agüera Soriano 2011 dv v dv' dv´> dv placa fija 16 Isaac Newton (Inglaterra 1643-1716) José Agüera Soriano 2011 17 Unidades de viscosidad dinámica en el S.I. dy N s/m 2 dv 2 o bien (1 N = 1 kg m/s ), dy kg/(m s) dv José Agüera Soriano 2011 18 Viscosidad cinemática En el S.I. de Unidades: kg/(m s) m2 s kg/m 3 En grados Engler (oE) y en números SAE: 10 8 631 m 2 o s E 731 o E A la temperatura de 50 oC, SAE o E 3 10 20 5 5 30 7 7 40 9 9 50 12 12 60 19 19 27 Diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire). José Agüera Soriano 2011 19 Causas de la viscosidad a) Cohesión molecular b) Intercambio de cantidad de movimiento La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de movimiento. La cohesión y por tanto la viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura. En cambio, la actividad molecular y en consecuencia la viscosidad de un gas aumenta con ella. José Agüera Soriano 2011 20 alta viscosidad José Agüera Soriano 2011 21 alta viscosidad José Agüera Soriano 2011 22 baja viscosidad José Agüera Soriano 2011 23 baja viscosidad José Agüera Soriano 2011 24 Compresibilidad Coeficiente de compresibilidad 1 v Líquidos: v p 2 p 1 dv v dp Gases: p 1 Módulo de elasticidad volumétrico K K v p v José Agüera Soriano 2011 líquido v v v v p+ p 25 Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) Por ejemplo, si el fluido es agua, o para ps = 2 bar, ts = 120 C para ps = 1 bar, ts = 100 oC para ps = 0,01 bar, ts = 7 oC José Agüera Soriano 2011 26 En instalaciones hidráulicas hay situaciones en las que la presión del agua puede disminuir tanto que el puede hervir. La burbujas de vapor llegan a zonas de mayor presión, y el vapor se condensa. Las cavidades vacías son rellenadas con ímpetu por el agua que las envuelve (se han llegado a medir hasta el millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo; serían como picotazos que reciben las paredes, que serían corroídas en muy poco tiempo. Por ejemplo, a la salida del rodete de una turbina Francis conviene que el agua salga con bastante depresión; aunque sólo hasta el límite de cavitación. José Agüera Soriano 2011 27 cavitación rodete burbuja de vapor cavidad vacía implosión José Agüera Soriano 2011 Vd 28 corrosión por cavitación José Agüera Soriano 2011 29 VISCOSIDAD DE TURBULENCIA Sobre cada partícula actúa un par de fuerzas. Si es pequeño respecto de la viscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar. De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efecto similar a la viscosidad en los gases: viscosidad aparente y/o viscosidad de turbulencia: v1 1 ( dv ) dy F1 José Agüera Soriano 2011 v M F2 v2 2 30 José Agüera Soriano 2011 31
