Subido por pepeelgrillo

Mecánica de Fluidos 1

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Mecánica
de Fluidos
DR. VILLASEÑOR RÍOS
CESAR ALEJANDRO
Presión
La razón de la fuerza normal aplicada a un área en
un punto
𝑃=
𝑑𝐹
𝑑𝐴
Ecuación Diferencial Hidrostática
𝒅𝑷
𝒅𝒛
𝑷𝟏
𝜸
= −𝜸 = −𝝆𝒈
+ 𝒛𝟏 =
𝑷𝟐
𝜸
+ 𝒛𝟐
En la troposfera
𝑷 𝒛 =
𝑻𝟎 −𝜶(𝒛−𝒛𝟎 )
𝑷𝟎
𝑻𝟎
En la estratosfera
𝑃 𝑧 = 𝑃0 𝑒
−
𝑧−𝑧0 𝑔
𝑅𝑇
Ejercicios
Al gato hidráulico
mostrado en la figura se
le aplica una fuerza
F=100N, ¿Cuál será la
fuerza F2 que se observa
en el pistón de salida si la
masa del pistos es
despresiable?
Resolución
1. Calcular la sumatoria de momentos alrededor de c
2. Calcular el equilibrio de fuerzas en el área A1
3. Calcula el equilibrio de furezas para F2
Ejercicios
¿Cuál es la
presión en el
fondo del
tanque?
Resolución
Propiedades del agua a 50 °F, 𝛾 =
𝑙𝑏𝑓
1 2
𝑓𝑡
=
𝑙𝑏𝑓
62.4 3
𝑓𝑡
𝑙𝑏𝑓
0.007
𝑝𝑢𝑙𝑔2
1. Usar la idea de que la cabeza piezométrica es
constante
Ejercicios
Una capa de aceite
de 0.9 m se forma en
un tanque lleno de
agua de 3 m ¿Cuál es
la presión
manométrica en el
fondo del tanque?
Resolución
Propiedades: gravedad especifica del aceite es: 0.8
Peso especifico del agua es 9810 N/m^3
1. Usar la idea de que la cabeza piezométrica es constante
2. Encontrar P2 usando la capa de aceite
3. Igualar las presiones en la interface
4. Encontrar P3 usando la capa de agua
Respuestas
Presión a 2.1 m=7.063 kPa
Presión a 0 m=27.7 kPa
Ejercicios
El fluido en el tubo es
agua a 10° C y el fluido
en el manómetro es
mercurio ¿Cuál es la
presión manométrica
en el centro del tubo?
Resolución
Datos:
∆ℎ = 60 𝑐𝑚
𝑙 = 180 𝑐𝑚
𝑁
𝛾ℎ20 = 9810 3
𝑚
𝑁
𝛾𝐻𝑔 = 13,000 3
𝑚
Procedimiento
1. Encontrar la presión en el punto 2 usando la
ecuación hidrostática
2. Encontrar la presión en el punto 3
3. Encontrar la ecuación en el punto 4 usando la
ecuación hidrostática
Respuestas
Presión en el punto 2: 79.8 kPa
Presión en el punto 3: 79.8 kPa
Presión en el punto 2: 62.1 kPa
Ejercicios
¿Cuál será la
presión del
aire?
Resolución
Datos:
𝑙1 = 40 𝑐𝑚
𝑙2 = 100 𝑐𝑚
𝑙3 = 80 𝑐𝑚
𝐺𝑒𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = 0.8
𝛾ℎ𝑔 = 133,000
La diferencia de presión en la columna de aire es depreciable.
Procedimiento
1. Encontrar la presión en los diferentes puntos usando
la ecuación hidrostática.
Respuestas
Presión del aire=110 kPa
Ejercicio
Una boquilla se diseña tal que
𝒖 𝒙 =
𝒖𝟎
𝟎𝟓𝒙
𝑳
𝟏−
Donde 𝒖𝟎 es la velocidad de entrada igual a 10 m/s y la
longitud es de 0.5m. La velocidad es uniforme a lo largo de la
boquilla. Encontrar la aceleración en el punto medio y al final
de la boquilla.
Ejercicio
Procedimiento
1. Evaluar las derivadas de la ecuación para la
aceleración.
Respuestas
Aceleración en x=0.5L
◦237 m/s^2
Ejercicio
Un tanque abierto con
agua se drena por medio
de un agujero en el
fondo. El tanque tiene
una altura de 10 m.
Encontrar la velocidad
de salida del agua.
Suposiciones
1. La velocidad del liquido en la superficie es mucho menor que
la velocidad de salida.
Procedimiento
1. Aplicar la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2.
Respuesta
1. 14 m/S
Ejercicio
En un viaje (Patm 1 atm 101.3 kPa), a un automóvil se le
acaba la gasolina y es necesario extraer gasolina por
acción de un sifón del automóvil de un buen samaritano. El
sifón es una manguera con diámetro pequeño y para iniciar
la acción es necesario introducir uno de los extremos en el
tanque lleno de gasolina, llenar la manguera de ésta
mediante succión y, enseguida, poner el otro extremo en
una lata que está colocada abajo del nivel del tanque.
La diferencia en la presión entre el punto 1 y el punto 2
hace que el líquido fluya de la mayor elevación hacia la
menor. En este caso, el punto 2 está ubicado 0.75 m abajo
del punto 1, y el 3 está 2 m arriba del 1. El diámetro del
sifón es de 4 mm y deben descartarse las pérdidas por
fricción en él. Determine: a) el tiempo mínimo para llevar 4
L de gasolina del tanque a la lata y b) la presión en el
punto 3. La densidad de la gasolina es de 750 kg/m3.
Ejercicio
Analisis
A) el tiempo para llevar 4 L de gasoline
Se toma en cuenta que el punto 1 esta en la superficie libre del tanque por lo
cual es a presión atmosferica.
La velocidad de la gasolina del tanque es muy baja respect a la velocidad de la
gasoline del tubo.
El punto 2 se toma como referencia.
La gasolina se descarga a la atmosfera por lo cual la presión en el punto es la
atmoferica.
Formulas
Se aplica la ecuación de Bernoulli en el punto 1 y 2
Se calcula el área del tubo
Se calculo el gasto (Vel*A)
Se calcula el tiempo.
Respuesta= 53.1 s
Analisis
B) La presión en el punto 3
Se puede determinar la presión en el punto 3 cuando se escribe la
ecuación de Bernoulli entre los puntos 2 y 3. Nótese que V2=V3.
Respuesta
81.1 kPA
Ejercicio
EL campo vectorial 𝑉 = 10𝑥𝑖 − 10𝑦𝑗 representa un campo de
velocidad de 2 dimensiones
¿El campo V es irrotacional?
Análisis
Calcula las derivadas correspondientes
Ejercicio
EL campo vectorial
𝑉=
𝐶𝑥
𝑥 2 +𝑦 2
𝑖+
𝐶𝑦
𝑥 2 +𝑦 2
𝑗
¿El campo V es irrotacional?
Análisis
Calcula las derivadas correspondientes
Teorema de transporte de Reynolds
Teorema de transporte de Reynolds
𝑑𝐵𝑠𝑦𝑠
𝑑𝑡
=
𝑑
𝑑𝑡
𝑏𝜌 𝑑𝑉 +
𝑏𝜌𝑣 𝑑𝐴
Ecuación de continuidad
Se deriva de la conservación de la masa, lo cual quiere
decir que la masa del sistema es constante.
Obtendremos la forma euleriana aplicando el teorema
de transporte de Reynolds donde la propiedad
extensiva B=m y la propiedad intensiva b=1
Forma general de la ecuación de
continuidad
𝑑𝑚𝑠𝑦𝑠
𝑑𝑡
𝑑𝑚𝑠𝑦𝑠
𝑑𝑡
𝑑
𝑑𝑡
=
𝑑
𝑑𝑡
𝜌 𝑑𝑉 +
𝜌𝑣 𝑑𝐴
=0
𝜌 𝑑𝑉 +
𝜌𝑣 𝑑𝐴 = 0
Forma general de la ecuación de
continuidad
𝑑
𝑑𝑡
𝜌 𝑑𝑉 +
𝑑
𝑚𝑐𝑣
𝑑𝑡
+
𝜌𝑣 𝑑𝐴 = 0
𝑚𝑜 −
𝑚𝑖 = 0
Ejercicios
Un tanque se llena por
como se muestra en la
figura y a su vez se
descarga como se muestra
¿a que velocidad se carga
o se descarga?
Ecuación de continuidad en un tubo
Si el flujo en el tubo es constante entonces
𝒎𝟏 = 𝒎𝟐
Por lo cual
𝝆𝟐 𝑨𝟐 𝒗𝟐 = 𝝆𝟏 𝑨𝟏 𝒗𝟏
Si el flujo es incompresible
𝑨𝟐 𝒗𝟐 = 𝑨𝟏 𝒗𝟏
𝑸𝟏 = 𝑸𝟐
Ejercicios
Un tubo de 120 cm de
diámetro se estrecha hasta
60 cm. El flujo de entrada
es de 2 m/s ¿Cuál es la
velocidad de salida?
Forma diferencial de la ecuación de
continuidad
Podemos aplicar la ecuación general de
continuidad a un volumen de control
pequeño.
Ahora que las funciones depende de las
coordenadas (x,y,z) y las velocidades de
los ejes (u,v,w) podemos reescribir la
ecuación como sigue
Forma diferencial de la ecuación de
continuidad
Problema
Las componentes de velocidad de un flujo son
𝒖 = 𝑽 𝒙𝟑 + 𝒙𝒚𝟐
𝒗 = 𝑽 𝒚𝟑 + 𝒚𝒙𝟐
V es constante ¿Satisface la ecuación de continuidad?
Ejercicio
Un tubo lleva agua fria (10°C) de una reserva para
una planta. La head loss en el tubo es de
𝑳
𝒉𝒍 =
𝟎.𝟎𝟐 𝑫 𝑽𝟐
𝟐𝒈
Si el diametro del tubo es de 20 cm y el flujo
volumétrico es de 0.06 m^3/s.
¿Cual sera la presión del tubo en L=2000m
suponiendo que 𝜶𝟐 = 𝟏
Respuesta
𝑝2 = 418 𝑘𝑃𝑎
Análisis Dimensional
Implica combinar variables dimensionales
para formar grupos adimensionales,
llamados grupos 𝝅, pueden considerarse
como los parámetros de escala para el flujo
de fluidos.
donde n es el número de variables
dimensionales y m es el número de
dimensiones básicas incluidas en las
variables.
El teorema de Buckingham establece que el
número de grupos 𝝅 independientes es igual
n-m
En mecánica de fluidos, las tres
dimensiones básicas son masa (M),
longitud (L) y tiempo (T).
Grupos 𝜋
Son combinaciones adimensionales de variables físicas que se utilizan para describir y analizar el
comportamiento de los fluidos. Se obtienen mediante el análisis dimensional, que implica identificar las
variables relevantes y combinarlas de tal manera que las dimensiones se cancelen entre sí.
Al formar grupos 𝝅, se eliminan las unidades de medida y se obtienen relaciones más generales y útiles
que son independientes del sistema de unidades.
En el caso del flujo en tuberías, un grupo 𝝅 común es el número de Reynolds (Re), que relaciona la
fuerza inercial con la fuerza viscosa y describe la transición entre flujos laminar y turbulento.
Estos grupos adimensionales son herramientas poderosas para el diseño, la predicción y la comprensión
de diversos fenómenos de flujo de fluidos.
Grupos 𝜋
Los grupos 𝝅 dependientes son aquellos que se pueden expresar en términos de otros
grupos 𝝅. Estos grupos dependientes son útiles para simplificar o expresar relaciones
entre variables, pero no proporcionan información nueva o independiente.
Los grupos 𝝅 independientes son aquellos que no se pueden expresar en términos de
otros grupos 𝝅. Son considerados como parámetros de escala independientes y
proporcionan información adicional y única sobre el fenómeno estudiado. Estos grupos
Π independientes son especialmente importantes porque representan características
físicas fundamentales y establecen restricciones sobre el comportamiento del sistema.
Grupos 𝜋 independientes
Numero de Reynolds
𝑹𝒆 =
𝝆𝑽𝑳
𝝁
Numero de Weber
𝑾𝒆 =
𝝆𝑽𝟐 𝑳
𝝈
Numero Mach
𝑴=
𝑽
𝒄
Numero de Froude
𝑭𝒓 =
𝑽
𝒈𝑳
Grupos 𝜋 dependientes
Coeficiente de presión
𝑪𝒑 =
∆𝒑
(𝝆𝑽𝟐 )/𝟐
Coeficiente de esfuerzo de corte
𝑪𝒇 =
𝝉
(𝝆𝑽𝟐 )/𝟐
Coeficiente de fuerza
𝑪𝑭 =
𝑭
(𝝆𝑽𝟐 𝑳)/𝟐
Ejemplo
Se utiliza un modelo a escala 1:49 de una presa propuesta para
predecir las condiciones de flujo del prototipo. Si el caudal de diseño
del flujo de inundación sobre el vertedero es de 15,000 m^3/s, ¿qué
caudal de agua se debe establecer en el modelo para simular este
flujo? Si se mide una velocidad de 1.2 m/s en un punto del modelo,
¿cuál es la velocidad en un punto correspondiente en el prototipo?
Plan
La gravedad es responsable del flujo, por lo que el número de Froude es el grupo significativo.
Para obtener una similitud dinámica,
1.Calcular la relación de velocidades a partir de la similitud del número de Froude.
2.Calcular la relación de caudal utilizando la escala y calcular el caudal del modelo.
3.Utilizar la relación de velocidades obtenida en el paso 1 para encontrar la velocidad en un
punto del prototipo.
Respuestas
Qm=0.89 m^3/s
Vp=8.4 m/s
Ejemplo
Se realiza una prueba en un túnel de viento con aire a presión atmosférica y
20°C utilizando un modelo a escala 1:10 de un automóvil. El automóvil tiene
una longitud de 4 m y se desplaza a una velocidad de 100 km/h en
condiciones similares de aire. ¿Cuál debería ser la velocidad del túnel de
viento para que la resistencia medida se pueda relacionar con la resistencia
del prototipo? La experiencia demuestra que los grupos dependientes son
independientes del número de Reynolds para valores superiores a 105. La
velocidad del sonido es de 1235 km/h.
Plan
Los efectos del numero de Mach son poco importantes (0.08). La similitud dinámica se logra
cuando los números de Reynolds son iguales y cuando el coeficiente de esfuerzo córtate son
iguales
1.
Determine la velocidad del modelo para la similitud dinámica
2.
Calcula el numero de Reynolds para el prototipo
3.
Calcula el numero de Reynolds para el túnel de viento.
Fluido en Tuberias
¿Por qué los líquidos usualmente se transportan en tuberías circulares?
Esto es así porque las tuberías con una sección transversal circular pueden
resistir grandes diferencias de presión entre el interior y el exterior sin
distorsión considerable. Las tuberías no circulares, por lo general se usan
en aplicaciones como los sistemas de calefacción y enfriamiento de
edificios, donde la diferencia de presión es relativamente pequeña, los
costos de fabricación e instalación son bajos, y el espacio disponible para
reparar ductos está limitado
Flujo Laminar y Turbulento
Flujo laminar: se caracteriza por líneas de corriente suaves y movimiento sumamente ordenado.
Flujo Turbulento: se caracteriza por fluctuaciones de velocidad y movimiento también
desordenado.
La transición de flujo laminar a turbulento no ocurre repentinamente; más bien, sucede sobre
cierta región en la que el flujo fluctúa entre flujos laminar y turbulento antes de volverse
totalmente turbulento. La mayoría de los flujos que se encuentran en la práctica son turbulentos.
El flujo laminar se encuentra cuando los fluidos muy viscosos, como los aceites, fluyen en
pequeñas tuberías o pasajes estrechos.
Numero de Reynolds
La transición de flujo laminar a
turbulento depende de
Geometría
la rugosidad de la superficie
la velocidad del flujo
la temperatura de la
superficie
el tipo de fluido
entre otros factores.
Numero de Reynolds
Vprom velocidad de flujo
promedio (m/s).
D longitud característica de la
geometría
Numero de Reynolds
Para flujo a través de tuberías no-circulares, el número de
Reynolds se basa en
el diámetro hidráulico.
𝐷ℎ =
4𝐴𝑐
𝑝
Numero de Reynolds
Numero de Reynolds
Numero de Reynolds
La longitud de entrada hidrodinámica usualmente se toma como la distancia desde la entrada de la
tubería hasta donde el esfuerzo de corte de pared alcanza dentro de aproximadamente 2 por ciento
el valor correspondiente al flujo totalmente desarrollado. En flujo laminar, la longitud de entrada
hidrodinámica está dada aproximadamente como
𝐿ℎ = 0.05𝑅𝑒𝐷
En flujo turbulento
𝐿ℎ = 1.359𝐷𝑅𝑒 1/4 = 10𝐷
Caída de presión y perdida de carga
Factor de Fricción de Darcy: es un parámetro que se utiliza para calcular la pérdida
de carga en un flujo de fluido a través de una tubería, teniendo en cuenta la
rugosidad y otras propiedades del flujo.
𝑓=
64
𝑅𝑒
En el análisis de los sistemas de tuberías, las pérdidas de presión comúnmente
se expresan en términos de la altura de la columna de fluido equivalente, llamada
pérdida de carga
ℎ𝑙 =
2
𝐿 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑚
𝑓
𝐷 2𝑔
Tuberías inclinadas
Las relaciones para la velocidad promedio y flujo volumétrico en tuberías inclinadas son
Ejemplo
Petróleo a 20°C (𝜌 = 888
𝑘𝑔
𝑚3
y 𝜇 = 0.8
𝑘𝑔
)
𝑚(𝑠)
fluye de manera estacionaria a través de una
tubería de 5 cm de diámetro y 40 m de largo. La presión a la entrada y la salida de la
tubería se mide en 745 y 97 kPa, respectivamente. Determine el flujo volumétrico de
petróleo a través de la tubería si se supone que la tubería está
a) horizontal
b) inclinada 15° hacia arriba
c) inclinada 15° hacia abajo
d) También verifique que el flujo a través de la tubería es laminar
Ejemplo
Se tiene agua a 40°F (𝜌 = 62.42
𝑙𝑏𝑚
𝑓𝑡 3
y 𝜇 = 1.038𝑥10−3
𝑙𝑏𝑚
)
𝑓𝑡(𝑠)
que fluye de manera
estacionaria a través de una tubería horizontal de 0.12 in (=0.010 ft) de diámetro y 30 ft
de largo con una velocidad promedio de 3.0 ft/s. Determine
a) la pérdida de carga
b) la caída de presión
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