UNIVERSIDAD NACIONAL DE HUANCAVELICAFACULTAD DE CIENCIAS DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILCLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS DE

FLUIDOS

2015 -I

CÁTEDRA : MECÁNICA DE FLUIDOS I.

CICLO : V SECCIÓN : “B”

CATEDRATICO : ING. MARCO ANTONIO PALIZA ARAUJO.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS DE FLUIDOS

Un flujo se clasifica como de una, dos o tres dimensiones dependiendo del número de coordenadas espaciales necesarias para especificar el campo de velocidades. Para poder llegar a la expresión de los campos de velocidades, es posible utilizar dos métodos para obtener dicha expresión:

*Método de Lagrange.*Método de Euler.

Teniendo en cuenta esto, podemos definir los flujos de los fluidos como fluidos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.

FLUIDOS UNI, BI Y TRIDIMENSIONALES

Fluidos unidimensionalesVector de velocidad solo depende de una variable espacial.

Se desprecian los cambios de velocidades transversales a la dirección principal del escurrimiento.

Sus propiedades varían en esa dirección.Las propiedades se mantienen constantes.Se dan en tuberías largas y rectas o entre placas paralelas.

Fluidos bidimensionalesEs un flujo en el que el vector velocidad solo

depende de dos variables espaciales. Fluido en función de x e y. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas.

Si se comparan los planos entre si, no existiendo, cambio alguno en dirección perpendicular a los planos.

FLUJOS TRIDIMENSIONALESEs el flujo más general en el que las componentes de velocidad en tres direcciones mutuamente perpendiculares son funciones de las coordenadas del espacio y del tiempo x, y, z y t.

Los métodos de análisis de este flujo son generalmente muy complicados de manejar desde el punto de vista matemático y sólo se pueden expresar fácilmente aquellos escurrimientos con fronteras de geometría sencilla.

Es frecuente, usar un modelo tridimensional cuando se necesita conocer la variación del campo de velocidades en las tres componentes de velocidad.

-VISCOSIDAD:Es la medida de la adherencia interna de dos capas de un fluido; cuando estas se mueven una en relación con la otra, se desarrolla una fuerza de fricción entre ellas y la capa más lenta trata de desacelerar a la más rápida.

-FLUJO INTERNO: El fluido queda por completo limitado por las superficies sólidas. (El flujo en un tubo o ducto), están dominados por la influencia de la viscosidad en todo el campo de flujo

- FLUJO VISCOSO:

Los efectos de viscosidad son significativos

FLUJO VISCOSO

FLUJO VISCOS

O

No existe fluido con viscosidad cero y, en

consecuencia, en todos los flujos de fluidos

intervienen los efectos viscosos en cierto

grado. Los flujos en donde los efectos de la

fricción son significativos se llaman

flujos viscosos.

Los flujos viscosos incluyen la amplia clase

de flujos internos, como flujos en tubos,

conductos y en canales abiertos. En flujos como

esos los efectos viscosos provocan

perdidas sustanciales debido a las inmensas cantidades de energía

que deben ser utilizadas para ser

transportados.La condición no

deslizante que produce una velocidad cero en

la pared, y los esfuerzos cortantes resultantes,

conducen directamente a estas pérdidas.

• Flujo de una corriente de fluido, originalmente uniforme, sobre una placa plana y las regiones de flujo viscoso (próximas a la placa en ambos lados) y de flujo no-viscoso (lejos de la placa).

FLUJO INVISCIDOUn flujo inviscido, es aquel en los que los efectos viscosos no le influyen significativamente, es decir son ignorados y por lo que la viscosidad se considera como cero.

• Los efectos viscosos son insignificanticos, cuando los esfuerzos cortantes en el flujo son pequeños y las áreas donde actúan también son muy pequeñas, por lo que en ese caso se puede considerar como flujo inviscido.

DEFINICION:

Es difícil crear un flujo inviscido debido a que

todos los fluidos de interés tienen viscosidad como: El

agua, aire, etc.

CARACTERISTICAS: Efectos viscosos son igual a 0 ( cero ) Los flujos externos pueden ser considerados como inviscidos. La velocidad es cero, en la pared para la capa limite. Requieren menos energía para transportar los fluidos.

EJEMPLOS: Alrededor de una superficie aerodinámica. En contracciones en el interior de los sistemas de tubería. En regiones cortas de flujos internos donde los efectos viscosos son

insignificantes.

5. FLUJO LAMINAR El flujo laminar es aquel flujo en el que el

movimiento de las partículas tiene únicamente el sentido y dirección del movimiento principal del fluido. Se puede presentar en un conducto cerrado, en un conducto abierto o en un conducto definido por el medio estudiado.

En un flujo laminar el fluido fluye sin mezclado significativo de sus partículas próximas entre sí, ya que influyen significativamente los esfuerzos cortantes viscosos.

De acuerdo al tiempo se divide en:

1. Flujo discontinuo: 2. Flujo continuo:

Al evaluar lo que sucede a una perturbación del flujo laminar, se obtiene que: si la perturbación aumenta el flujo es inestable y posiblemente llegará a ser turbulento, si la perturbación disminuye el flujo permanece laminar.

PARÁMETROS FISICOS DEL FLUJO

LA LONGITU

D DEL CAMPO

DE FLUJO

LA VISCOSI

DAD CINEMÁT

ICA

LA ESCALA

DE VELOCID

ADSuficiente

mente pequeña,

el flujo laminar puede llegar a

ser turbulento

.

Velocidad suficiente

mente grande el

flujo laminar puede llegar a

ser turbulento.

Suficientemente grande la perturbación

del flujo laminar, puede

incrementarse y llegar a

ser turbulento.

El número de Reynolds, nos ayuda como herramienta para predecir un régimen de flujo. Se expresa de la siguiente forma:

Luego, si el número de Reynolds es relativamente pequeño el flujo es laminar, si es grande el flujo es turbulento. Para una mayor precisión se

define un número de Reynolds crítico, el cual es diferente para cada geometría y tipo de material en el que se encuentre el flujo.

El flujo es laminar si

RÉGIMEN DE

FLUJO

Cuando el número de Reynolds se aproxima

al número de Reynolds crítico, se estaría ya hablando

de el flujo intermitente,

el flujo sea intermitentemente

turbulento y laminar.

FLUJO TURBULENTO  Un flujo turbulento es cuando los movimientos del fluido varían

irregularmente de tal forma que las cantidades tales como velocidad y presión muestran una variación aleatoria con el tiempo y las coordenadas espaciales.

La turbulencia de un flujo se caracteriza por su naturaleza fluctuante, movimiento caótico y aparentemente aleatorio, es el resultado de la perdida de estabilidad de un flujo laminar.

1. DEFINICIÓN:

Las cantidades físicas con frecuencia se describen mediante promedios estadísticos.  Flujo turbulento continuo: es un flujo en la que las cantidades

físicas promedio dependen del tiempo y no cambian con este. 

Flujo turbulento discontinuo: es un fluido en la que las cantidades físicas promedio dependen del tiempo, pero estas cantidades físicas cambian con respecto al tiempo.

2. DESARROLLO DE LA TURBULENCIA:La turbulencia no aparece de manera súbita en un flujo, para que esta se mantenga en su forma completa desarrollada deben pasar varias etapas.

Consideremos una capa límite sobre una placa plana:Conforme se avance en la dirección longitudinal de la placa, va creciendo el valor de Re, por lo que podemos ver cómo se desarrolla la turbulencia desde el flujo laminar.1) Cerca del punto donde el flujo se encuentra a la placa se desarrolla una capa limite laminar ordinaria, puesto que en este primer tramo el Re no es muy grande.

2) Cuando el valor de Re alcanza un cierto valor crítico, los primeros indicios de la pérdida de estabilidad se manifiestan: aparecen las ondas T-S (Tollminen-Schlichting), que son perturbaciones en la dirección perpendicular al flujo. Estas son ondas pero aún son laminares.

3) Un poco más adelante, aumentando un poco el Re, estas ondas transversales comienzan a perder estabilidad y pierden su forma transversal. En esta etapa comienza a aparecer un componente de la vorticidad en la dirección del flujo.4) Aumentando un poco más el Re, el siguiente fenómeno que se observa es la aparición de la estructura unidireccional del flujo. Se dice que tanto la velocidad y la vorticidad so tridimensionales.

5) Aguas abajo sobre la placa comienza a aparecer paquetes de turbulencia completamente desarrollada. Estos paquetes, o manchas, crecen en tamaño y frecuencia de aparición.

6) Finalmente, los paquetes se unen y se crea la zona de turbulencia completamente desarrollada.

3. EXPERIMENTO Y NUMERO DE REYNOLDS :

En 1883 Osborne Reynolds realizo un experimento para poner en evidencia las diferencias entre flujo laminar y turbulento; este experimento consistió en inyectar tinta en un flujo de fluido a una cierta velocidad en una tubería cilíndrica de sección constante.Entonces se dio con la sorpresa que a medida que aumenta la velocidad del fluido, llega un momento en la que el fluido se vuelve turbulento, por lo tanto cuando el flujo es turbulenta, la tinta se mezcla con el agua en una forma inmediata, diluyéndose en esta.

El número de Reynolds es una herramienta que nos sirve para determinar y predecir el tipo de flujo, el parámetro adimensional que depende de la densidad y viscosidad del fluido analizado es la siguiente:

 𝑹𝒆=

𝝆 .𝑽 .𝑳𝝁 =

𝑽 .𝑳𝒗

Representa el coeficiente entre las fuerzas de inercia del flujo y las fuerzas debidas a la viscosidad, y mide la influencia relativa a esta última.

Si: ; Entonces el fluido es turbulento (debido a altas velocidades o bajas viscosidades.)

4. PROPIEDADES DE LA TURBULENCIA : Naturaleza fluctuante: Tanto la presión como la velocidad fluctúan

alrededor de un valor medio, las fluctuaciones son de naturaleza tridimensional.

  Aparición de remolinos: Las capas de fluido están acomodadas en

estructuras coherentes llamadas remolino o vórtices, estos vórtices tiene una amplia distribución de tamaños que van desde la dimensión del flujo hasta (tamaño del contenedor) hasta el tamaño en el cual se disipa el movimiento bajo la acción de la viscosidad (escala de kolmogorov).

Mantenimiento autónomo: Un flujo turbulento pueden mantenerse turbulento así mismo. Los remolinos grandes generan remolinos pequeños. 

Disipación: Puesto que el flujo es autónomo, la ruptura sucesiva de vórtices a escalas más pequeñas, llevara eventualmente a la generación de vórtices del tamaño de la escala de kolmogorov; una vez alcanzada este tamaño, el movimiento se disipa por el efecto de la viscosidad. En otras palabras el flujo turbulento caerá progresivamente.

 

Mezclado: el hecho de que el flujo turbulento se fluctuante hace que la difusión del calor, masa y momentum sean más efectivos que la difusión molecular.

5. ESCALAS DE LA TURBULENCIA :Habitualmente esta variedad de torbellinos de diferentes escalas que existen en cualquier flujo turbulento se puede agrupar en tres escalas:

Macroescala: Es la escala asociada a los vórtices más grandes, sean U, V y T la velocidad, la longitud y el tiempo, característicos de estos vórtices. El número de Reynols asociado será el mismo que el del flujo principal: ; las características de estos grandes torbellinos dependen de las condiciones de contorno del flujo y presentan un marcado carácter anisótropo (dependientes de la dirección).

Escalas Intermedias: Son escalas inferiores a la macroescala, en las que todavía no existe disipación de energía; se van a denominar a la velocidad, longitud y tiempo característicos de estos vórtices.

Microescala: Es la escala más pequeña, en la que se produce la disipación de energía; sus valores característicos se van a denominar u0, λ0 y τ0. Estos torbellinos presentan un carácter isótropo, es decir, el flujo ha olvidado de donde procede.

NUMERO DE MACH

El número de Mach, nombrado así en honor a Ernest Mach (1838 - 1916), se define como:

Donde V es la velocidad del gas y la velocidad de onda

FLUJO INCOMPRESIBLE

Un flujo incompresible existe si la densidad de cada partícula del fluido permanece relativamente constante conforme se desplaza a través del campo de flujo, esto es:

Si M < 0.3, las variaciones de la densidad son cuando mucho de 3% y se supone que el flujo es incompresible; para aire estándar éste corresponde a una velocidad por debajo de 100 m/s o 300 pies/s.

FLUJO COMPRESIBLE

Si M>0.3, la variación de la densidad influye en el flujo y se deberán tener en cuenta los efectos de comprensibilidad; tales flujos son flujos compresibles.

Los flujos compresibles incluyen la aerodinámica de aviones de alta velocidad, el flujo de aire a través de motores de reacción

FLUJO COMPRESIBLE

El flujo de vapor a través de una turbina en una planta eléctrica

FLUJO COMPRESIBLE

El flujo de la mezcla de aire-gas en un motor de combustión interna.