DinDináámicamica de de loslos

FluFluíídosdos

FluFluíídosdos

�� SubstanciasSubstancias queque no no trasmitentrasmiten esfuerzosesfuerzos

�� Se Se deformandeforman cuandocuando se les se les aplicaaplica unauna fuerzafuerza

�� IncluyeIncluye, , aguaagua y gasesy gases

�� FuerzasFuerzas –– actactúúanan en en todotodo el el flufluíídodo

PropiedadesPropiedades de de loslos

FluidosFluidos

Los dos parámetros principales son: densidad y viscosidad.

Densidad es una medida del peso por unidad de area (g/cm2)

Viscosidad es una magnitud relacionada con la resistencia del

fluído a la cizalla y se mide en Poison (g/cm/sec).

Un factor importante que afecta densidad y viscosidad es la

temperatura.

ViscosidadViscosidad

�� MedidaMedida de la de la friccifriccióónn internainterna entreentre laslas partpartíículasculas de un de un

flufluíídodo

�� CohesiCohesióónn molecularmolecular

�� ResistenciaResistencia del del flufluíídodo a a deformarse deformarse (o (o flufluíírr))

�� ViscosidadViscosidad dindináámicamica = = µµ = = esfuerzoesfuerzo de de cizallacizalla//ritmo

de cambio de θ por unidad de tiempo

La La concentraciconcentracióónn y y mineralogmineralogííaa de de laslas arcillasarcillas en en suspensisuspensióónn

dentrodentro de un de un flufluíídodo tienetiene unauna influenciainfluencia importanteimportante sobresobre la la

densidaddensidad y la y la viscosidadviscosidad

ViscosidadViscosidad CinemCinemááticatica

�� ViscosidadViscosidad constanteconstante a T a T constanteconstante; ; ρρ no no dependedepende del del esfuerzoesfuerzo de de cizallacizalla o de la o de la duraciduracióónn del del esfuerzoesfuerzo ––FluFluíídodo NewtonianoNewtoniano

�� TT↑↑ µµ↓↓

�� Viscosidad cinemViscosidad cinemááticatica determinadetermina cuandocuando un un flujoflujodesarrolladesarrolla turbulenciaturbulencia

vµ

ρ=

µ = viscosidad

ρ= densidad

PresiPresióónn y y CizallaCizalla

�� CizallaCizalla ((ττ) ) -- ejercidoejercido paraleloparalelo a la a la superficie superficie

CizallaCizalla ((ττ) = F/A) = F/A

�� PresiPresióónn –– ejercidaejercida perpendicular a la perpendicular a la superficie superficie

PresiPresióónn = F/A= F/A

EsfuerzosEsfuerzos: :

FlujosFlujos LaminaresLaminares vsvs TurbulentosTurbulentos

�� Se le Se le agregaagrega unauna viscosidadviscosidad aparenteaparente ((viscosidadviscosidad de de

remolinoremolino) () (ηη) a la ) a la ecuaciecuacióónn parapara flujosflujos turbulentosturbulentos

�� La La turbulenciaturbulencia genera genera esfuerzosesfuerzos mayoresmayores sobresobre losalosa

flufluíídosdos adyacentesadyacentes queque en en loslos flujosflujos laminareslaminares

du

dyτ µ= ( )

du

dyτ µ η= +

Flujo Laminar Flujo Turbulento

Flujos Fluídos

Laminares Versus Turbulentos.

Los números de Reynolds y Froude proveen un modo de espresar la

naturaleza del flujo en términos de su comportamiento dinámico.

Número de Reynolds. Expresa la relación entre las fuerzas

inerciales y viscosas dentro de un fluído y entonces el grado de

turbulencia. Se calcula usando la ecuación:

R = fuerzas inerciales = UL U = velocidad del flujo

fuerzas viscosas V L = profundidad del flujo

V = viscosidad del fluído

El flujo en canales abiertos donde hay una superficie libre y las

fuerzas gravitacionales son importantes se describen utilizando el

Número de Froude, que representa la relación entre las fuerzas

inerciales y gravitatorias:

F = Fuerzas Inerciales = U U = velocidad del flujo

Fuerzas gravitatorias gL L = profundidad

g = aceleración gravedad

Para flujos turbulentos la profundidad (L) es inversamente

proporcional a la velocidad (U); en flujos laminares ambas son

proporcionales.

TiposTipos de de FlujosFlujos FluFluíídosdos

�� FlujoFlujo laminar laminar –– el el flujoflujo persistepersiste comocomo un un movimientomovimientounidireccionalunidireccional�� MoleculasMoleculas fluyenfluyen paralelamenteparalelamente

�� MovimientoMovimiento haciahacia arribaarriba y y haciahacia abajoabajo porpor difusidifusióónn

�� Flujo turbulentoFlujo turbulento–– flujoflujo altamentealtamente distorcionadodistorcionado�� FlujosFlujos perpendicularesperpendiculares a la a la direccidireccióónn principal del principal del movimientomovimiento

�� TransferenciaTransferencia de de movimientomovimiento haciahacia arribaarriba y y abajoabajo porporprocesosprocesos de de macroescalamacroescala

�� TurbulenciaTurbulencia = = componentecomponente irregular y irregular y aleatorioaleatorio del del movimientomovimiento del del flufluíídodo

�� RemolinosRemolinos = = parteparte del del flufluíídodo altamentealtamente turbulentoturbulento

FlujoFlujo Laminar Laminar vsvs TurbulentoTurbulento

�� FlujoFlujo Laminar Laminar –– velocidadvelocidad constanteconstante en un en un puntopunto a a

travtravééss del del tiempotiempo

�� Turbulencia Turbulencia

�� MayoriaMayoria de de loslos flujosflujos = = turbulentosturbulentos

�� LentaLenta velocidadvelocidad de de decantacidecantacióónn –– movimientosmovimientos haciahacia arribaarriba

de la de la molmolééculasculas de de aguaagua

�� IncrementoIncremento en la en la capacidadcapacidad del del flufluíídodo parapara erodarerodar y y capturarcapturar

partpartíículasculas del del lecholecho peropero menosmenos eficienteeficiente en en transportarlastransportarlas

�� La La velocidadvelocidad medidamedida en un en un puntopunto varvarííaa de un de un momentomomento a a

otrootro peropero tiendetiende a un valor a un valor promediopromedio a lo largo del a lo largo del tiempotiempo

NNúúmeromero de Reynoldsde Reynolds

�� Balance Balance entreentre fuerzasfuerzas inercialesinerciales ((queque causancausan turbulenciaturbulencia) ) y y viscosasviscosas ((suprimensuprimen turbulenciaturbulencia))

�� FlujoFlujo Laminar:Laminar: Re < 1000 Re < 1000 –– dominadomina viscosidadviscosidad; ; pocapocaprofundidadprofundidad o o bajabaja velocidadvelocidad

�� FlujoFlujo TurbulentoTurbulento:: Re >1000 Re >1000 –– dominadomina inerciainercia; ; flujoflujo profundoprofundo o o rráápidopido

Re = URρ/µ = UR/ν

U = velocidad media del flujo ρ = densidad

R = radio hidráulico (A/P) µ = viscosidad

ν = viscosidad cinemática (µ/ρ)

NNúúmeromero de de FroudeFroude

�� Fr < 1Fr < 1 TranquiloTranquilo, , SubcrSubcrííticotico

�� VelocidadVelocidad de la de la ondaonda > > velocidadvelocidad del del flujoflujo

�� Fr > 1Fr > 1 RRáápidopido, , SupercrSupercrííticotico

�� OndasOndas no no puedenpueden propagarsepropagarse corrientecorriente arribaarriba

�� Fr Fr tienetiene relacirelacióónn con el con el rréégimengimen de de flujo flujo

�� Define Define formasformas de de lecholecho caractercaracteríísticassticas queque se se

desarrollandesarrollan porpor un un flujoflujo sobresobre un un lecholecho granulargranular

NNúúmeromero de de FroudeFroude

�� RelaciRelacióónn entreentre fuerzasfuerzas inercialesinerciales y y gravitacionalesgravitacionales

�� GravedadGravedad influenciainfluencia el el modomodo en en queque el el flufluíídodo trasmitetrasmiteondasondas superficialessuperficiales

�� Valor Valor adimensionaladimensional ((igualigual queque Re)Re)

r

UF

gL=

rF = Número de Froude

gL=

= velocidad del movimiento

de la onda superficial

U=

= velocidad media

g = aceleración de la gravedad

L = profundidad del agua

EfectosEfectos dede capa lcapa líímitemite:: Cuando unaCuando una corrientecorriente fluyefluye a a

lo largo de lo largo de laslas paredesparedes de un canal o de un canal o sobresobre el el lecholecho eses

afectadaafectada porpor loslos esfuerzosesfuerzos retardantesretardantes ((rozamientorozamiento) )

producidosproducidos porpor la la superficiesuperficie limitantelimitante. La . La capacapa en en

contactocontacto con la con la superficiesuperficie rríígidagida se se denominadenomina capacapa

llíímitemite..

PerfilesPerfiles de de velocidadvelocidad y y rugosidadrugosidad del del

lecholecho

�� En En flujosflujos turbulentosturbulentos –– hay hay flujosflujos laminar/laminar/casicasi laminar laminar

ssóólolo cercacerca del del lecholecho

�� LechosLechos suavessuaves –– fuerzasfuerzas molecularesmoleculares viscosasviscosas dominandominan en en

llááminasminas delgadasdelgadas cercacerca del del lecholecho

�� SubcapasSubcapas viscosasviscosas / / subcapassubcapas laminareslaminares

�� LechosLechos RugososRugosos//Irregulares Irregulares

�� GravasGravas o arena o arena gruesagruesa

�� SubcapasSubcapas viscosasviscosas destrudestruíídasdas porpor laslas partpartíículasculas del del lecholecho

�� ObstObstááculosculos generangeneran remolinosremolinos en la en la interfaseinterfase

�� PresenciaPresencia//ausenciaausencia de de subcapassubcapas laminareslaminares –– factoresfactores

importantesimportantes en el en el inicioinicio del del movimientomovimiento de de laslas partpartíículasculas

FlujosFlujos y y transportetransporte de de sedimentossedimentos

�� La La habilidadhabilidad de un de un rrííoo de de erosionarerosionar y y transportartransportar

sedimentossedimentos representarepresenta un balance un balance entreentre fuerzasfuerzas y y

resistenciasresistencias

�� Las Las ecuacionesecuaciones queque involucraninvolucran fuerzasfuerzas

((esfuerzosesfuerzos) y ) y resistenciasresistencias son el son el nnúúcleocleo del del

transportetransporte porpor flujosflujos flufluíídosdos

FlujosFlujos y y transportetransporte de de sedimentossedimentos

�� RelacionesRelaciones de de conservaciconservacióónn

�� MasaMasa ((continuidadcontinuidad del del flufluíídodo))

�� MomentoMomento (2(2ndnd LeyLey de Newton de Newton –– F=M*A)F=M*A)

�� EnergEnergííaa (1(1rara LeyLey de la de la TermodinTermodináámicamica))

�� RelacionesRelaciones constitutivasconstitutivas

�� ResistenciaResistencia ((EcuaciEcuacióónn de Manning)de Manning)

�� TransporteTransporte de de sedimentossedimentos ((HjulstromHjulstrom, , BagnoldBagnold))

EsfuerzoEsfuerzo ((cizallacizalla) ) llíímitemite

�� CuandoCuando un un flujoflujo fluyefluye sobresobre unauna capacapa debedebe vencervenceresfuerzosesfuerzos queque se se oponenoponen a a eseese movimientomovimiento existentesexistentesen la en la superficiesuperficie de la de la capacapa ((rozamientorozamiento))

�� FuerzaFuerza//unidadunidad de de áárearea paralelaparalela al al lecho lecho

�� ExtremadamenteExtremadamente importanteimportante en en determinardeterminar erosierosióónn y y transportetransporte de de sedimentossedimentos en el en el lecholecho

�� F (F (densidaddensidad de de fluidofluido, , inclinaciinclinacióónn de la de la capacapa, , profundidadprofundidad del del aguaagua, , velocidadvelocidad del del flujoflujo))

�� El El esfuerzoesfuerzo en el en el limitelimite de de capacapa aumentaaumenta con el con el aumentoaumento de la de la velocidadvelocidad aunqueaunque de de maneramanera complejacompleja(no lineal)(no lineal)

CizallaCizalla llíímitemite

�� DeterminadaDeterminada porpor la la fuerzafuerza queque ejerceejerce el el flujoflujo sobresobre el el lecholecho y y relacionadarelacionada con la con la velocidadvelocidad del del flujoflujo--determinadetermina erosierosióónn y y transportetransporte de de sedimentossedimentos en la en la capacapa inmediatamenteinmediatamente debajodebajo del del flujoflujo

�� Se Se incrementaincrementa directamentedirectamente con:con:�� ↑↑ densidaddensidad del del flufluíídodo

�� ↑↑ profundidadprofundidad y y didiáámetrometro del canaldel canal

�� ↑↑ pendientependiente del canaldel canal

�� Mayor Mayor capacidadcapacidad parapara erosionarerosionar y y transportartransportar sedimentosedimento�� AguarAguar vsvs aireaire

�� Canales Canales mayoresmayores vsvs menoresmenores

�� Mayor Mayor gradientegradiente vsvs menormenor gradientegradiente

ErosiErosióónn y y cargacarga de de lecholecho

La La facilidadfacilidad con la con la queque unauna corrientecorriente erosionaerosiona el el sustratosustrato y y porpor lo lo tantotanto pone pone

en en movimientomovimiento a a laslas partpartíículasculas del del lecholecho eses influenciadainfluenciada porpor su cohesisu cohesióónn. .

La La cohesicohesióónn del del sustratosustrato eses controladacontrolada principalmenteprincipalmente porpor el el contenidocontenido de de

arcillasarcillas y y porpor la la friccifriccióónn queque se se relacionarelaciona con con loslos contactoscontactos entreentre granosgranos. .

RelaciRelacióónn entreentre cargacarga de de lecholecho y y velocidadvelocidad de la de la

corrientecorriente