Download - Viscosimetro Placa y Cono. Exposición
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EJEMPLO: VISCOSMETRO DE CONO Y PLACA.
-Suponer que la distribucin de velocidad en la separacin puede aproximarse bastante por la
velocidad correspondiente para flujo entre lminas paralelas, donde la lmina superior se mueve a
velocidad constante. Comprobar que esto conduce a la distribucin de velocidad aproximada en el
viscosmetro (en coordenadas esfricas).
( )
( )
1. Se aplican coordenadas esfricas para las superficies del cono y placa. Pueden ser
definidas como =superficies constantes. El ngulo que se forma por el cono y el plato
es aproximadamente menor a 3, se considera que = /2, por lo tanto:
Superficie del cono: =
Superficie de la placa: = /2
El viscosmetro de cono y plata consiste en una delgada
placa, que est ubicada en el fondo donde se encuentra el
fluido cuya viscosidad ser medida dentro de un cono
invertido que se encuentra sobre el fluido hasta que el
vrtice toca la placa. El cono rota con alguna velocidad
angular , y el torque (torsin) requiere que el cono gire o
para mantener la placa fija cuando se mide la viscosidad
para fluidos newtonianos y algunos no newtonianos.
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2. En el cono se experimenta una rotacin para :
V(r) = xr
y=rsin
3. En coordenadas esfricas la posicin del vector r es:
r=rer(,)
Justificacin: Los vectores unitarios en coordenadas esfricas dependen de la posicin, el vector er
es un vector de longitud igual a la unidad en la direccin r.
El vector unitario e es un vector unitario de longitud igual a la unidad en direccin de creciente.
La geometra elemental conduce a:
er= (cos)ex+(sin)ey+(0)ez
Despejando ex ,se obtiene:
ex= (cos)er-(sin)e+(0) ez
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4. Por lo anterior, la velocidad angular es:
(1)
5. Obtener el producto vectorial de los vectores ( y r):
V(r) = xr= rsine ;
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Desde la existencia de un solo componente de velocidad , las lneas de corriente del fluido
resultan ser en forma circular (contorno corresponde a r=cte y =cte). El crculo corresponde a
02.
9. Por analoga la presin que lleva un fluido en una tubera debe disminuir a lo largo de la
direccin del flujo. Sin embargo en un flujo constante, la presin no puede reducirse
constantemente con para toda . Como mnimo, la presin debe ser peridica en , en
otras palabras:
P(r,,)=P(r,,+2)
Para cualquier disminucin en la presin la parte de la trayectoria circular donde pasa el fluido se
podr balancear por aumentos a lo largo de la parte restante, por qu la presin puede ser alta
en algunos puntos a lo largo de las lneas de corriente que en otras? La razn es que su geometra
asimtrica con respecto a hace que no se espere alguna dependencia con con la presin.
10. El perfil de velocidad automticamente satisface la Ley de viscosidad de Newton
(ec.continuidad), en coordenadas esfricas:
11. Ignorando la gravedad, la ec. Navier Stokes en coordenadas esfricas para r,,:
r:
:
-
:
[
(
)
(
)
]
12. Los perfiles de velocidad y de presin han sido separados, el primer paso es resolver el
perfil de velocidad y luego sustituir el resultado en las ecs. de los componentes r y para
as poder resolver el perfil de presin. Basado en la condicin limite, se postula una
solucin de la forma:
V(r,)=rf()
Sustituyendo V(r,)=rf() en la ecuacin del componente se cancela la dependencia de r,
as se obtiene una derivada ordinaria de segundo orden en la f(), la solucin es la siguiente:
[
(
)
(
)
]
[
(
)
(
)
]
[
(
)
(
)
]
[
(
)
]
-
[
(
)
]
[
(
)
]
[
]
[
(
) ]
C1 : = V =rsin V()=V(r)=0
C2: =/2 V = V (,r) V = V =V=0
V()= rsin ec.5
Para calcular el perfil de velocidad en la superficie de los conos.
Se disean los ngulos de los conos cerca de /2 aparentemente por el momento.
r y r1- (/2)
r y r1, vienen de una distancia vertical desde algn punto arbitrario (r,) dentro del fluido al
plato.
lim {r1}= h(r)
1/2
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La ecuacin (5) queda:
( )
( )
=/2-.
La velocidad de la corriente es independiente de la posicin:
Para /2
-Para un instrumento de placa y cono con radio 10cm y ngulo igual a 0.5 grados, qu momento
de torsin (en dinas*cm) se requiere para hacer girar el cono a una velocidad angular de 10
radianes por minuto si la viscosidad del fluido es 100cp?
Datos::
R=10cm
=100cp=1g cm-1 s-1
=10 radianes min-1 = 10/60 radianes/s= 1/6 radianes/s
(/2)-1=0.5= /360 radianes= 0.008727 radianes
= ((2/3) (1)(10)3 (1/6))/(/360)=40000 dyn-cm