Termodinámica y Mecánica de Fluidos Grados en Ingeniería Marina y Marítima MF. T3.- Dinámica de Fluidos Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes Departamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28 http://personales.unican.es/renedoc/index.htm Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82 1 Termodinámica y Mecánica de Fluidos Grados en Ingeniería Marina y Marítima MF. T3.- Dinámica de Fluidos Objetivos: En este tema se analizan las energías relacionadas con el movimiento de los fluidos, presentando la Ecuación de Bernoulli y el efecto Venturi. Estos conceptos se aplican a la resolución de sifones, y a la salida de líquidos de un depósito El tema se completa con una práctica de laboratorio en la que se estudiará el efecto venturi, y su aplicación a la medida de un caudal 2 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 1.- Flujo de Fluidos 2.- Conductos y canales 3.- Energía de un flujo. Ec de Bernoulli 4.- Medidor de caudal tipo Venturi 5.- Tubos de Pitot y Prandtl 6.- Sifón 7.- Teorema de Torricelli 1.- Flujo de Fluidos (I) • uniforme, no uniforme (v(x,y) = cte); • permanente, no permanente (dv/dt = 0); • laminar, turbulento; • unidimensional, bidimensional; Se simplifica y se estudia como monodimensional (valores medios) 3 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 1.- Flujo de Fluidos (II) Líneas de Corriente (imaginarias) ⇒ tubo de corriente Caudal volumétrico, Q [m3/s] Q = A ⋅ V Peso de un flujo, W [N/s] W = γ ⋅Q Peso [N] Masa de un flujo, caudal másico, M [kg/s] M = ρ ⋅ Q w = W ⋅ t = γ Vol γ es el peso específico (N / m3 ) ρ es la densidad (kg / m3 ) Ec de la continuidad de un flujo M1 = M 2 ρ1 ⋅ Q1 = ρ 2 ⋅ Q 2 ρ1 ⋅ ( A 1 ⋅ V1 ) = ρ 2 ⋅ ( A 2 ⋅ V2 ) [⋅g] ⇒ γ 1 ⋅ A 1 ⋅ V1 = γ 2 ⋅ A 2 ⋅ V2 Si el fluido es incompresible (Vol cte), y γ1 = γ2 Q1 = Q 2 A 1 ⋅ V1 = A 2 ⋅ V2 4 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 1.- Flujo de Fluidos (III) Una manguera de 25 mm de diámetro termina en una boquilla con un orificio de 10 mm de diámetro. Si la velocidad media del agua en la manguera es de 0,75 m/s, calcular: • El caudal • La velocidad a la salida 5 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 2.- Conductos y canales (I) • Conductos: el área del flujo ocupa toda el área disponible • Canales: tiene una superficie libre •Tubos tienen tamaño normalizado La pérdida de energía en ellos depende de: • la viscosidad del fluido, f (T) • de la rugosidad del tubo • el cuadrado de la velocidad del fluido Diámetro Hidráulico = Area Flujo Perímetro Mojado La velocidad es fuente de ruidos [ ⇒ se procura que v < 5 m/s] 6 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 2.- Conductos y canales (II) ⎡ 2 β − sen (2β ) ⎤ =⎢ V ⎣ 2 (β + γ senβ )⎥⎦ Vp Qp Q 0,625 El Q “diminuye” por: • Area / Perímetro • el aire encerrado h/d Qp/Q Vp/V 1 1 1 0,85 0,95 1,05 0,71 0,82 1,08 0,5 0,5 1 0,21 0,1 0,65 0,05 0,005 0,28 0,02 0,001 0,17 h d para η ≤ 0,5 ⇒ γ = 0 siendo η = 1,625 [ 2 β − sen (2β )] = 0,625 9,69 [β + γ senβ ] para η > 0,5 ⇒ γ = η − 0,5 20 20 (η − 0,5 ) 3 3 + 7 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (I) Los fluidos poseen tres formas de energía: potencial, Epot, cinética, Ec y presión, Epres • La Epot es debida a la elevación, se refiere a una cota Epot = w ⋅ z [J] w el peso del fluido [N] z la distancia vertical a la cota de ref. • La Ec está relacionada con la velocidad del fluido Ec = 1 1 ⎛w⎞ ⋅ m ⋅ V 2 = ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⋅ V 2 [J] 2 2 ⎝g⎠ • La Epres es el trabajo necesario para mover un flujo a través de una determinada sección en contra de la presión; ⎛w⎞ Epres = p ⋅ Volumen = p ⋅ (A ⋅ d) = p ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ [J] ⎝γ⎠ [γ = w / Vol] p la presión d la distancia recorrida por el flujo 8 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (II) La energía total de un fluido es: E = Epot + Ec + Epres = w ⋅ z + 1 w ⋅ V2 p ⋅ w ⋅ + [J] 2 g γ Se puede expresar, ( /w), en unidades de altura, y es la altura de carga H H=z+ V2 p + [m] 2⋅g γ z V2/2g p/γ cota o cabeza de elevación altura de velocidad o cab. de vel. altura de presión o cab. de presión [J = N m] Teorema de Bernoulli: la variación de la energía de un flujo incompresible sin transmisión de calor E entrante + E añadida − E extraida − E perdida = E saliente [J] 2 2 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ z1 + V1 + p1 ⎟ + Haña − Hext − Hper = ⎜ z 2 + V2 + p 2 ⎟ [m] ⎜ ⎜ 2 ⋅ g γ ⎟⎠ 2 ⋅ g γ ⎟⎠ ⎝ ⎝ Bomba Turbina 9 Tubería T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (III) La Hper en tuberías, válvulas y demás elementos ≈ proporcional a V2 Hper = cte ⋅ V2 [m] 2⋅g La cte se determina experimentalmente • Si en un flujo no se pierde, añade o extrae energía, ideal (H1 = H2) 2 2 V p V p Ec. Bernoulli ⇒ z1 + 1 + 1 = z 2 + 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ [m] • Si además no hay diferencia de cotas (z1 = z2) Ec. Bernoulli ⇒ 2 2 V1 p V p + 1= 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ [m] 10 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (IV) Aplicando Bernoulli hay que considerar: • Las partes expuestas a la atmósfera tienen presión manométrica nula • En conducto de igual sección los términos de velocidad de cancelan • Si se aplica entre puntos con igual cota, estos términos se cancelan Las líneas de altura o energía total representan la energía existente en cada punto de una tubería respecto a un plano de referencia Se suelen representar las líneas que corresponden a los términos de las alturas de cota, velocidad y presión. 11 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (V) Un flujo puede desarrollar una potencia Pot = γ ⋅ Q ⋅ H [N / m 3 m 3 / seg m = N m / seg = J / seg = W ] • La potencia agregada por una bomba, PB PB = γ ⋅ Q ⋅ H Rendimiento de la bomba es ηB La potencia que demanda del motor, PM ηB = PB PM • La potencia hidráulica transmitida a una turbina, PH PH = γ ⋅ Q ⋅ H Rendimiento de la turbina es ηT La potencia que entrega la turbina, PT ηT = PT PH 12 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (VI) En la aspiración de la bomba la presión es de -180 mmHg (Dr Hg = 13,6). Si toda la tubería es de 100 mm de diámetro, y el caudal de descarga es de 0,03 m3/s de aceite (Dr = 0,85), determinar: la altura total en el punto A con B A relación a la cota de referencia que pasa por la bomba 13 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 3.- Energía de un flujo: Ec de Bernoulli (VII) A través de una turbina de 1 m de altura circulan 0,214 m3/s de agua, siendo las presiones a la entrada y salida de 147,5 kPa y -34,5 kPa respectivamente (secciones de 300 y 600 mm). Determinar la potencia comunicada por la corriente a la turbina. 14 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (I) Si no se pierde, añade o extrae energía y no hay diferencia de cotas (z1 = z2) Ec. Bernoulli ⇒ Cont. flujo ⇒ 2 2 V1 p V p + 1= 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ A 1 ⋅ V1 = A 2 ⋅ V2 [m] Válido para líquidos o compresiones muy leves En un estrechamiento la presión diminuye 2 A1 > A2 ⇒ V1 < V2 2 V1 p V p + 1= 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ p2 < p1 Peligro de cavitación En un ensanchamiento la presión aumenta A1 < A2 ⇒ V1 > V2 2 2 V1 p V p + 1= 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ p2 > p1 15 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (II) Un estrechamiento calibrado en la tubería con dos tomas de presión Miden la velocidad indirectamente al medir la diferencia de presiones 16 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (II) Un estrechamiento calibrado en la tubería con dos tomas de presión Miden la velocidad indirectamente al medir la diferencia de presiones 17 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (III) En la práctica H2 < H1 A1 y A2 conocidos Se mide (p1-p2) A 1 ⋅ V1 = A 2 ⋅ V2 ⎛ V12 p1 ⎞ ⎛ V2 2 p 2 ⎞ ⎟ ⎜ + + ⎟=⎜ ⎜2⋅g γ ⎟ ⎜2⋅g γ ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ V1 = A2 ⋅ V2 A1 ⇒ V1 y V2 2 2 2 p1 − p 2 V2 − V1 = γ 2⋅g ⎛A ⎞ A ⎞ 2 ⎛ 2 V2 ⋅ ⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ V2 − ⎜⎜ 2 ⋅ V2 ⎟⎟ A1 ⎠ p1 − p 2 ⎝ A1 ⎠ = ⎝ = γ 2⋅g 2⋅g ⎛ A − A2 ⎞ 2 ⋅ g ⎛ A − A2 ⎞ 2 ⎟⎟ ⋅ ⎟⎟ ⋅ V2 = ⎜⎜ 1 ⋅ (p1 − p 2 ) = ⎜⎜ 1 ⋅ (p1 − p 2 ) γ ⎝ A1 ⎠ ⎝ A1 ⎠ ρ ⇒ V1 = A2 ⋅ V2 A1 18 2 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (IV) Cual es la diferencia de presiones, en unidades del sistema internacional, entre los puntos A y B de la figura 19 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (V) ρaire = 1,2 kg/m3 Z1 = Z2 γaire = 11,76 N/m3 S =(π R2)= 0,20 m2 s =(π r2)= 0,10 m2 h = 1 cm (agua) ρagua = 1.000 kg/m3 γagua = 9.800 N/m3 20 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 4.- Medidor de caudal tipo Venturi (VI) 1 3 2 h h´ En realidad en el estrechamiento y ensanchamiento sí se pierde energía H2 < H1 En medidas precisas habría que verificar la caída de presión total en el venturi, y realizar las correcciones oportunas 21 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 5.- Tubos de Pitot y Prandtl (I) Mide la presión de estancamiento: (presión total = estática + dinámica) En 1 se produce un remanso ⇒ V1 = 0 2 2 V p V p z A + A + A = zB + B + B 2⋅g γ 2⋅g γ z1 = z2 V1 = 0 [Bernoulli1→2 ] Sin Hperd p1 = pPitot 2 p1 V2 p = + 2 γ 2⋅g γ 2 V p − p2 ⇒ 2 = 1 2⋅g γ p = (ρ ⋅ g) ⋅ h p1 = (ρ ⋅ g) ⋅ h1 = γ ⋅ h1 p 2 = (ρ ⋅ g) ⋅ h2 = γ ⋅ h2 V2 = 2 ⋅ g ⋅ h p1 − p 2 γ = h1 − h 2 = h Altura de presión dinámica 22 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 5.- Tubos de Pitot y Prandtl (II) Mide la Ptotal al restar la Pestática 2 zA + 2 VA p V p + A = zB + B + B 2⋅g γ 2⋅g γ z 1 = z 3≈ z 2 V1 = 0 2 p p1 V3 = + 3 γ 2⋅g γ [Bernoulli1→3 ] V2 ≈ V3 p2 ≈ p3 [Man. Dif.] Sin Hperd p 4 = p1 + ρ ⋅ g ⋅ (h + ha ) = p 2 + ρ ⋅ g ⋅ ha + ρman ⋅ g ⋅ h [p1 − p 2 =] ⇒ V3 = 2 ⋅ (ρman − ρ) ⋅ g ⋅ h ρ 23 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 6.- Sifón (I) Descarga por encima del nivel del líquido 2 Ec. Bernoulli ⇒ z1 + 2 2 V p V1 p V p + 1 = z 2 + 2 + 2 = z3 + 3 + 3 2⋅g γ 2⋅g γ 2⋅g γ Sin Hperd [Bernoulli1→3 ] 2 z1 = z 3 + V3 2⋅g V1 = 0 ; V2 = V3 V3 = 2 ⋅ g ⋅ (z1 − z 3 ) = 2 ⋅ g ⋅ h [Bernoulli1→2 ] Necesita cebado 2 z1 = z 2 + V2 p + 2 2⋅g γ p 2 = −γ ( z 2 − z 3 ) p1 = p 3 = p atm = 0 Si prel, p2 <0 Si pasb, p2>0 p 2 [abs] = p atm − γ ⋅ ( z24 2 − z3 ) T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 6.- Sifón (II) Para realizar un sellado de aire y evitar malos olores procedentes del desagüe Posibles problemas: • El agua se evapora y deja sin sello el sifón • Si hay depresión en el aire, el agua tiende a ser aspirado y dejar si sello el sifón Paire > −ρ H2O ⋅ g ⋅ [hs + h1 ] • Si hay presión en el aire, tiende a empujar el agua al desagüe y dejar si sello el sifón Paire < ρ H2O ⋅ g ⋅ hs 25 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 7.- Teorema de Torricelli (I) La velocidad de salida de un flujo de un depósito depende de la diferencia de elevación entre la superficie libre del fluido y la salida del fluido 2 2 V p V p z1 + 1 + 1 = z 2 + 2 + 2 2⋅g γ 2⋅g γ Supuesto h cte V1 = 0 p1 = p2 = 0 z1 - z2 = h V2 = 2 ⋅ g ⋅ h [m / seg] sobre la superficie del fluido hay una presión diferente * Si a la atmosférica, esta se ha de tener en cuenta 26 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 7.- Teorema de Torricelli (II) Si la altura del líquido va disminuyendo en el depósito la velocidad de salida también lo hace El tiempo requerido para vaciar un tanque: Fluido evacuado = − A 1 ⋅ dh = A 2 ⋅ V2 ⋅ dt dt = A1 ⋅ dh A 2 ⋅ V2 ∫ t 2 − t1 = − t2 t1 dt = ∫ A1 A2 ⋅ 2 ⋅ g (Torricelli : V2 = 2 ⋅ g ⋅ h ) h2 − h1 ∫ t h1 →h2 = h2 h1 h A1 A2 ⋅ 2 ⋅ g ⋅ h −1/ 2 2 ⋅ A1 A2 ⋅ g ⋅ dh h2 ⎡ h1/ 2 ⎤ dh = − ⎢ ⎥ A 2 ⋅ 2 ⋅ g ⎣ 1/ 2 ⎦ h1 A1 ⋅ (h 1 ) − h2 [seg] 27 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 7.- Teorema de Torricelli (III) Más complejo si: • El depósito está presionado; p1 ≠ p2 • La altura del líquido va disminuyendo en el depósito; h = f(t) • La presión en el depósito disminuye a medida que sale líquido; p1 = f(t) L 28 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS 7.- Teorema de Torricelli (IV) Orificio sumergido en otro recipiente con alturas ctes 2 zA + V1 = V3 = 0 p1 = p3 = 0 h = z1-z3 [Bernoulli1→2 ] 2 VA p V p + A = zB + B + B 2⋅g γ 2⋅g γ p salida : p 2 = p3 + γ ⋅ (z 3 − z 2 ) p 2 = γ ⋅ (z 3 − z 2 ) γ ⋅ (z 3 − z 2 ) V2 p V + 2 = z2 + 2 + 2⋅g γ 2⋅g γ 2 z1 = z 2 + 2 2 V z1 = z 2 + 2 + (z 3 − z 2 ) 2⋅g V2 = 2 ⋅ g ⋅ (z1 − z 3 ) = 2 ⋅ g ⋅ h 29 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS Por un conducto cuadrado de 10 cm de lado fluye un gas de densidad 1,09 kg/m3 a una velocidad de 7,5 m/s. Si la sección del conducto cambia a 25 cm de lado y la velocidad cae a 2,02 m/s, calcular: • el caudal másico • la densidad en el segundo tramo 30 T3.- DINAMICA DE FLUIDOS Cuando está cebado y circula agua por la tubería de 1 cm de diámetro de la figura, y despreciando las pérdidas en la tubería, calcular: – El caudal de salida – La presión en el punto más alto del sifón – La altura máxima del sifón 31