ENGINY YERIA INDUSTRIAL MEC CÀN NIC CA D DE FLU UIDS S Gu uia de e l’asssignattura ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 1 Crèdits:7,5 ( 6 teòrics, 1,5 pràctics) Crèdits ECTS: 6 Tipus: Coordinador: Josep M Bergadà (bergada@mf.upc.edu) Altres Professors:Gustavo Rausch, José Trujillo, Andrés Andreatta. Departament: Mecànica de Fluids. Presentació La Mecànica de Fluids es una branca de la mecànica aplicada, la qual es centre en el estudi del comportament dels líquids i gasos tant del punt de vista estàtic com dinàmic. El anàlisi del comportament dels fluids es basa en les lleis fonamentals de la mecànica aplicada, que donen lloc a les lleis de conservació de la massa, la energia i la quantitat de moviment. Aquestes equacions son familiars al estudiant que haguí fet la assignatura de mecànica dels sòlids. Malgrat tot, hi ha algunes diferencies essencials particulars de la Mecànica de Fluids. Per exemple, la naturalesa i propietats del fluid com a tal son considerablement diferents de les dels sòlids. Per altra banda, així com en mecànica s’estudia el comportament de cossos de manera individual i col·lectiva, en Mecànica de Fluids el fluid s’estudia com una corrent de matèria sense un principi i fi determinats. Un problema afegit en Mecànica de Fluids es que es molt difícil esbrinar el moviment real de les partícules de fluid, o del fluid com a conjunt, aquesta es la raó del perquè sovint en el anàlisi teòric del fluid s’han de introduir simplificacions o hipòtesis que permeten un càlcul aproximat. Es necessari llavors la utilització de coeficients que permetin ajustar les equacions als valors reals. En molts casos però s’ha de recórrer a la experimentació per tal de esbrinar les peculiaritats del comportament de fluid. Coneixements previs Per poder matricular-se de aquesta assignatura es requereix haver superat les assignatures de Física i Matemàtiques dels anys precedents. Camps professionals Alguns dels camps relacionats amb la assignatura son: Instal·lacions de transport de fluids, màquines de fluids, aeronàutica. Relació amb altres assignatures La mecànica de fluids es la base de tot un ventall de assignatures que es troben en les diferents especialitats. Entre altres es poden citar: Màquines Hidràuliques i tèrmiques; Aerodinàmica; Gasdinàmica; Fluidotécnia, Semblança i teoria de models. ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 2 Objectius generals Assentar les bases de una assignatura tant amplia com es aquesta, per tal de que el estudiant pugui aprofundir en les assignatures posteriors sense dificultat. Temes com equacions generals, propietats dels fluids, fluxos intern i extern, compressible e incomprensible, son alguns dels característics de la assignatura. Idiomes de treball. Les classes es podran impartir amb català, castellà i anglès. Com a mínim un dels temes que s’impartirà durant el curs, es farà amb anglès i un dels treballs que cada grup haurà de realitzar durant el curs haurà de ser realitzat amb anglès. La finalitat de aquesta mesura es la de internacionalitzar la assignatura així com fomentar el coneixement del idioma anglès. Temari. Mòdul 1 Introducció. Propietats dels fluids. 3 hores de teoria i 1 de problemes. - (4 hores) Fluid com un estat de la matèria. Sòlid cristal·lí i vitri, funció de distribució radial. Propietats dels fluids, mecàniques i termodinàmiques, numero de Deborah, numero de Knudsen, equilibri termodinàmic local, equacions reològiques dels fluids, ferrofluids. Fenòmens i coeficients de transport. Transport de calor, transport de massa, transport de quantitat de moviment. Difusivitat de quantitat de moviment, difusivitat tèrmica, coeficient de difusió de fick. Mòdul 2. Forces sobre un fluid. Cinemàtica de fluids. 4 hores de teoria mes 3 de problemes. - (7 hores) Forces que actuen sobre un fluid. Superficials, màssiques i capil·lars. Estàtica de fluids. Moviment de un fluid com a sòlid rígid. Cinemàtica de fluids. Vorticitat, circulació, flux, sistemes de coordenades Eulerians i Lagrangians, velocitat i acceleració. Línies de corrent, senda ó trajectòria i traça. Estudi cinemàtic del moviment de una partícula de fluid. Tensor gradient de velocitat, tensor de deformació i tensor de vorticitat. Mòdul 3 Equacions bàsiques de la Mecànica de Fluids, forma integral i diferencial. 8 hores de teoria mes 6 de problemes. - (14 hores) Sistema i volum de control, teorema de transport de Reynolds. Equació de conservació de la massa en forma integral i diferencial. Equació de conservació de la quantitat de moviment. Forma integral i diferencial. Equació de conservació de la energia. Forma integral i diferencial. Equació del moment cinètic. ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 - 3 Aplicació de les equacions bàsiques a sistemes no inercials. Mòdul 4 Aplicació de les equacions bàsiques en forma diferencial a casos pràctics. 5 hores de teoria mes 2 de problemes. - (7 hores) Flux amb viscositat dominant, flux de Couette, Poiseulle, Haguen Poiseulle. Teoria de lubricació de Reynolds. Patí de Michel. Coixinets hidrostàtics. Mòdul 5 Anàlisi dimensional. Teoria de models. 3 hores de teoria i aplicacions. - (3 hores) Objectius del anàlisis dimensional, grups adimensionals. Teorema de pi o Buckingham. Sistema matricial. Principals grups adimensionals de la Mecànica de fluids. Semblança, teoria de models, lleis de semblança, semblança geomètrica cinemàtica i dinàmica. Mòdul 6 Flux potencial, flux, extern, capa límit. 5 hores de teoria mes 2 de problemes. - (7 hores) Potencial de velocitats, equació de Laplace. Funció de corrent. Fluxos potencials plans, cos de Rankine. Efecte Magnus. Flux extern. Coeficients de resistència i sustentació. Capa límit. Equació de Prandtl de la capa límit, equació de Von Karman. Capa límit laminar i turbulenta aplicada a plaques planes. Mòdul 7 Flux intern no compressible. Flux extern en canals. 5 hores de teoria mes 4 de problemes. - Flux en conductes, equació de Darcy Weisback, diagrama de Moody. Conductes en sèrie i paral·lel, pèrdues de energia en el sistema. Sistemes de tuberies on intervenen màquines hidràuliques. Flux en canals. Fenòmens no estacionaris. Cop de ariet. Mòdul 8 Flux compressible. (9 hores) ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 5 hores de teoria mes 4 de problemes. - 4 (9 hores) Equacions bàsiques per flux isoentropic. Flux en toberes convergents divergents, numero de Mach. Cono de Mach. Flux en conductes de àrea constant, Flux de Fanno i Rayleigh. Ones de xoc normals i oblicues. Objectius específics dels mòduls Mòdul 1 En aquest primer mòdul s’estudien les propietats bàsiques dels fluids, tant mecàniques com tèrmiques, es fa una introducció sobre quins fenòmens i forces poden actuar sobre una partícula de fluid considerant el medi com a continu. S’estudien així mateix les equacions reològiques bàsiques dels fluids. Objectius de l’alumne El estudiant ha de tenir clar els conceptes bàsics definits en aquest capítol, conceptes que per altra banda seran utilitzats durant tot el curs. Mòdul 2 Aquest segon mòdul comença amb una introducció sobre les forces que poden actuar sobre una partícula de fluid considerant el medi com a continu. Posteriorment es avaluaran les forces hidrostàtiques sobre cossos submergits. I també els efectes que les acceleracions tant angulars com lineals causen sobre els fluids. El capítol continua fent un repàs del que es defineix com cinemàtica de fluids, on es definiran matemàticament les línies de corrent, senda i traça, que avaluant el moviment del fluid. Objectius de l’alumne Els estudiants aprendran inicialment com calcular les forces sobre superfícies submergides, desprès es avalua el efecte que el moviment uniformement accelerat causa sobre el fluid, i com variaran les forces sobre els cossos. Per últim s’estudia el fluid en moviment, definint les equacions que defineixen el moviment de les partícules de fluid. De nou, molts dels conceptes que es donen en aquest capítol es seguiran utilitzant durant tot el curs. Mòdul 3 El tercer mòdul es el principal de la assignatura, donat que aquí es dedueixen les equacions bàsiques de la Mecànica de Fluids. El objectiu es donar a conèixer les equacions bàsiques tan en forma integral com diferencial i saber quan i perquè sa de aplicar una equació determinada per tal de resoldre un problema. Objectius de l’alumne El estudiant ha de entendre les equacions, així com la seva deducció, per tal de saber quan i sota quines condicions es pot aplicar una equació determinada. Aquest mòdul requereix molt de treball ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 5 personal per part del estudiant, es important així mateix fer problemes a casa per tal de adquirir la agilitat necessària en la resolució dels mateixos. Mòdul 4 El quart mòdul es una aplicació de les equacions bàsiques en forma diferencial, en concret es el cas de l’estudi del flux amb viscositat dominant, es a dir, les forces de inèrcia son mes grans que les forces viscoses i conseqüentment el numero de Reynolds te valors baixos. Com a aplicació mes directa de flux amb viscositat dominant s’explicarà el cas de coixinets hidrostàtics, pati de Michel i coixinets cilíndrics. Objectius de l’alumne El estudiant aprendrà a integrar per alguns casos determinats les equacions de Navier Stokes, i comprovarà la potencia que les equacions tenen, veurà que alguns tipus de fluxos determinats poden ser perfectament identificats gràcies a la integració de les equacions diferencials. La aplicació per el cas de coixinets tant plans com cilíndrics servirà per que el estudiant adquireixi una bona idea de els camps de utilització de aquests tipus de elements. Mòdul 5 En molts casos les equacions conegudes no son suficients com per avaluar amb detall un fenomen determinat, es dons necessari realitzar proves experimentals. Per tal de minimitzar les proves experimentals es interessant agrupar els paràmetres en grups adimesionals. Per altra banda es necessari conèixer les lleis de la teoria de models i les seves limitacions per tal de tenir present la escala en la que es realitzarà la experimentació. Objectius de l’alumne El estudiant ha de arribar a comprendre les limitacions de les equacions deduïdes en els capítols anteriors, entendre que la experimentació es en molts casos imprescindible però que també te limitacions. Mòdul 6 Aquest es un dels mòduls mes importants, i val a dir que en general aquest mòdul es presenta com a dos mòduls i a vegades tres mòduls separats. Es comença estudiant alguns casos particulars de flux potencial, comprovant els límits de les equacions per flux potencial, es dona pas al flux extern real, el qual es basa en coeficients experimentals per tal de estudiar les forces de arrastre i sustentació. El següent pas es el de endinsar-se en el estudi de la capa límit, on s’avalua el comportament del fluid real partint punt de vista teòric, s’estudien les zones de capa límit laminar y turbulent amb les característiques de transport de quantitat de moviment que porten associades. Es realitza una avaluació complerta teòrica de la capa límit tant laminar com turbulenta per a plaques planes. Objectius de l’alumne De nou aquí es posen de manifest les limitacions de les equacions. El objectiu es el d’entendre que succeeix quan el flux es potencial, i veure que malgrat la complexitat de la teoria no es poden obtenir valors reals de les forces, en el flux extern es dons necessari aprofundir en el fenomen de capa límit. Aquí el objectiu es entendre el perquè de la existència de la capa límit i quines son les equacions mes rellevants que caracteritzen el fenomen. ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 6 Mòdul 7 Aquest apartat es dels mes senzills de entendre, tot i que es un dels de mes amplia aplicació en enginyeria. Es tracta de esbrinar el funcionament del flux en conductes, tenint en conte a mes el efecte que les maquines hidràuliques tenen sobre el mateix. La temàtica però es complica quan es tenen en consideració els fenòmens transitoris que poden aparèixer en els conductes, el objectiu aquí es definir el cop de ariet i estudiar la dificultat que existeix en la determinació de les pertorbacions de pressió en un punt genèric de un conducte. Objectius de l’alumne El estudiant ha de saber dissenyar sistemes de tuberies i avaluar en cada cas el risc que hi ha de aparició de cop de ariet, aprendrà a calcular la sobre pressió que pot aparèixer i com la pot minimitzar. Mòdul 8 Es molt important saber que el efecte de compressibilitat en el fluid dona lloc a comportaments peculiars del flux. Aquí, es avalua el fluid quan el numero de Mach es supersònic, s’estudien els salts de pressió i la aparició de les ones de xoc, i també quan el flux esta bloquejat. La aplicació practica de tots aquests conceptes es immediata. Només cal pensar en les instal·lacions de aire comprimit que existeixen o be en les de gas. Aquest es un tema íntimament lligat amb conceptes termodinàmics, per tant te una certa complicació sota aquest punt de vista. Objectius de l’alumne El estudiant aprendrà les eines principals per treballar amb flux compressible, estudiarà alguns casos determinats com es el flux de Fanno y Rayleigh, entendrà el perquè de la dificultat de dissenyar vàlvules limitadores que treballin amb flux compressible, i serà capaç de avaluar quan es te flux bloquejat. Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant Mòdul Mòdul 1: Introducció, propietats, cinemàtica de fluids. Mòdul 2: Forces sobre els fluids, cinemàtica de fluids. Mòdul 3: Equacions Bàsiques de la Mecànica de Fluids. Mòdul 4: Flux amb viscositat dominant. Mòdul 5: Anàlisi dimensional, teoria de models. Mòdul 6: Flux potencial, flux extern, capa límit. Mòdul 7: Flux intern i flux en canals. Mòdul 8: Flux compressible. Total. Temps de Classe Hores 4 Hores 7 Hores 14 Hores 7 Hores 3 Hores 7 Hores 9 Hores 9 Hores 60 Temps d’estudi Hores 10 Hores 16 Hores 28 Hores 16 Hores 7 Hores 16 Hores 22 Hores 25 Hores 140 Temps total 14 Hores 23 Hores 42 Hores. 23 Hores 10 Hores. 23 Hores. 31 Hores. 34 Hores 200 Hores. ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 7 Importància i dificultat dels mòduls Tots els mòduls son imprescindibles per entendre diferents parts de la Mecànica de Fluids. El mòdul que en tots els llibres es considera bàsic es el tercer, “equacions de la Mecànica de Fluids”, donat que a partir d’aquestes equacions es dedueixen d’altres aplicables en casos determinats. Els mòduls mes complicats de entendre son el 3, el 4, i el 8, per això es dedica mes temps en aquests mòduls que el els altres. Per altra banda, el mòdul 7 es molt important en enginyeria d’aquí la seva extensió. Metodologia de treball Es imprescindible seguir les classes teòriques per entendre l’assignatura. Els problemes fets a classe son una primera referència del explicat, es imprescindible fer mes problemes a títol personal. La metodologia de treball es primer fer la teoria i tot seguit alguns problemes tipus. Pràctiques de laboratori En el laboratori de Mecànica de Fluids hi ha un col·lectiu de equips de treball que permeten realitzar al voltant de 10 pràctiques relacionades amb la Mecànica dels Fluids. Els estudiants han de realitzar un mínim de 4 practiques de entre les existents. De cada practica s’ha de realitzar un informe, el qual servirà per avaluar els coneixements adquirits. Les diverses practiques que es poden trobar en el laboratori son: Pràctica 1: Reograma d’un fluid. Pràctica 2: Perfil de velocitat i càlcul del cabdal de un ventilador. Pràctica 3: Llei de Stokes, viscosímetre de bola. Pràctica 4: Quantitat te moviment. (dos pràctiques) Pràctica 5: Capa límit. Pràctica 6: Fenòmens de flux no estacionari. Pràctica 7: Corba característica de una vàlvula. Pràctica 8: Flux en medis porosos. Pràctica 9: Flux extern. Materials Bibliografia bàsica Joseph Spurk. 1.- Fluid Mechanics. 2.- Fluid Mechanics, problems and solutions. Editorial: Springer 1997. ENGINYERIA INDUSTRIAL 25021 Mecànica de Fluids. Guia de l’assignatura Aprovada en CAA de data 8/06/05 Modificada en CAA de data 29/06/06 Modificada en CAA de data 27/05/09 Modificada en CAA de data 8/07/10 Modificada en CAA de data 1/06/2011 Antonio Barrero et al. 8 1.- Mecánica de Fluidos, fundamentos y aplicaciones. 2.- Mecánica de Fluidos problemas resueltos. Editorial: McGraw Hill. 2005. Antonio Crespo Martinez Mecánica de Fluidos Editorial Thomson 2006. Josep M Bergadà. 1.- Mecánica de Fluidos problemas resueltos. Editorial: Ediciones UPC 2011/2008. Frank M White. 1.- Mecánica de Fluidos. Editorial: McGraw Hill. 2004. Bibliografia complementària D. Pnueli. C. Gutfinger. Fluid Mechanics. Editorial: Cambridge University Press. 1997. Gerhart & Gross & Hochstein. Mecánica de Fluidos. Editorial: Addison Wesley Iberoamericana. 1995. Irving H Shames. Mecánica de Fluidos. Editorial: McGrawn Hill 1995. Avaluació La avaluació de la assignatura es farà mitjançant quatre (4) treballs de grup, l’avaluació dels informes de pràctiques realitzats i un examen final. Els percentatges son: Mitjana de la qualificació dels treballs realitzats durant el curs * 0,55 + Nota de pràctiques * 0,05 + Nota Examen Final*0.4 N f = 0,55N1classe + 0,05N1p + 0,4N1examenfinal Nf : Nota final N1 classe: Nota mitjana dels treballs realitzats durant el curs. N1p : Nota mitjana dels informes de pràctiques. N1examenfinal: Nota mitjana de l’examen final