1 DEFINICIONES Y CONCEPTOS PRELIMINARES SISTEMA FLUJO PROPIEDADES DE UN FLUIDO VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
2 Sistema Cualquier porción de materia a estudiar. Un fluido será el sistema elegido. A la superficie, real o imaginaria, que lo envuelve se llama límite, frontera o contorno. El conjunto de varios sistemas puede formar uno solo; o bien, un sistema puede descomponerse en muchos, incluso infinitos, sistemas parciales.
3 Medio exterior de un sistema El conjunto de sistemas que influye sobre el sistema en estudio será el medio exterior de éste. El medio ambiente suele formar parte del medio exterior. La influencia sobre el sistema puede ser térmica debida a una diferencia de temperaturas, o mecánica debida a una diferencia de presiones.
4 Clasificación de sistemas Sistema cerrado Es aquel cuya masa no varía durante un cambio de situación; por ejemplo, cuando el émbolo pasa de la posición I a la posición II.
5 Sistema abierto, o flujo Es aquel que fluye con relación a un contorno. volumen de control
6 FLUJO Sección transversal La que es perpendicular al eje de simetría del flujo. Línea de flujo La formada por la posición instantánea de una serie de partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha de estar en la dirección del vector velocidad de la anterior.
7 Tubo de flujo Una superficie (dS, por ejemplo) está rodeada por líneas de flujo que formarán una superficie tubular (como una tripa). Al fluido que circula en su interior se le llama tubo de flujo.
8 Caudal Llamamos caudal (volumétrico) Q al volumen de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal másico m a la masa correspondiente: . (Gp:) . (Gp:) m
9 En función de la velocidad media V
10 En función de la velocidad media V
11 Clasificaciones de flujo Permanente, o estacionario Las características medias no varían con el tiempo (AB y CD). Variable, o transitorio Varían con el tiempo (BC); por ejemplo, cuando maniobramos una válvula.
12 Uniforme La velocidad no varía en el trayecto (entre 1 y 2). No uniforme Cuando sí varía (entre 2 y V). Clasificaciones de flujo
13 Laminar Flujo ordenado Turbulento Flujo desordenado laminar turbulento Clasificaciones de flujo
14 Experimento de Reynolds Ensayó en qué situación el régimen en una tubería circular pasaba de laminar a turbulento, que es cuando dejaba de visualizarse la línea teñida a su paso por A. Más adelante veremos cuándo ocurre esto.
15 Osborne Reynolds Belfast (1842-1912)
16 PROPIEDADES DE UN FLUIDO Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas cuyo valor nos define el estado en que se encuentra. Son propiedades la presión, la temperatura (común a todas las sustancias), la densidad, la viscosidad, la elasticidad, la tensión superficial, etc.
17 fluido a constante a varía Definición de un fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente (ángulo a) cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. Con un dF, la placa se movería a una velocidad du. sólido
18 Viscosidad Viscosidad (m) de un fluido es la resistencia a que las distin- tas láminas deslicen entre sí. Ley de Newton de la viscosidad La resistencia debida a la viscosidad depende, además, de la variación de velocidad entre las capas: velocidad de defor- mación (dv/dy). No es lo mismo intentar sacar una cuchara de un tarro de miel despacio que rápido (mayor resistencia).
19 (ley de Newton) dv´> dv Esfuerzo cortante t A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante:
20 (ley de Newton) dv´> dv lubricación Esfuerzo cortante t A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante: dv´= dv
21 Isaac Newton (Inglaterra 1643-1716)
22 Unidades de viscosidad dinámica en el S.I.
23 Unidades de viscosidad dinámica en el S.I. o bien (1 N = 1 kg m/s2),
24 Viscosidad cinemática, n Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad:
25 Viscosidad cinemática, n Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad: En el S.I. de Unidades:
26 En grados Engler (oE): En números SAE: A la temperatura de 50 oC, Ver diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire).
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31 Causas de la viscosidad Cohesión molecular Intercambio de cantidad de movimiento La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de movimiento.
32 Causas de la viscosidad Cohesión molecular Intercambio de cantidad de movimiento La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de movimiento. La cohesión y por tanto la viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura. Por el contrario, la actividad molecular y en consecuencia la viscosidad de un gas aumenta con ella.
33 alta viscosidad
34 Agua: baja viscosidad
Aire: baja viscosidad
36 Coeficiente de compresibilidad k COMPRESIBILIDAD
37 Coeficiente de compresibilidad k COMPRESIBILIDAD Módulo de elasticidad volumétrico K
38 Agua ps bar ts ºC Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) 0,01 7 1 100 2 120 20 212 40 250 60 276 80 295 100 311 150 342 200 366 220 374
39 Agua ps bar ts ºC Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) 0,01 7 1 100 2 120 20 212 40 250 60 276 80 295 100 311 150 342 200 366 220 374 En instalaciones hidráulicas hay situacio- nes en las que la presión del agua puede disminuir tanto, que llega a hervir. En una olla a presión el agua hierve a mayor temperatura; por eso la cocción es más rápida.
40 La burbujas de vapor de agua, si se formaran, llegan a zonas de mayor presión, y el vapor se condensa bruscamente. Que- dan unas cavidades vacías que son rellenadas con ímpetu por el agua que las envuelve (se han llegado a medir hasta el millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo; serían como picotazos que reciben las paredes, que serían corroídas en muy poco tiempo. Cavitación
41 burbuja de vapor cavidad vacía implosión rodete tubo de aspiración Por ejemplo, a la salida del rodete de una turbina Francis conviene que el agua salga con bastante depresión; aunque sólo hasta el límite de cavitación.
42 corrosión por cavitación
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44 Erosión por cavitación
45 Cavitación en bombas hélice
46 Sobre cada partícula (M), actúa un par de fuerzas originado por las partículas 1 y 2. Si el par es pequeño respecto de la viscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar. De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efec- to similar a la viscosidad en los gases: viscosidad aparente y/o viscosidad de turbulencia (h), que lógicamente no es una propiedad del fluido: VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
47 Ejercicio 1-2.1 Figuras no incluidas en las diapositivas Figura 1-8 Problema 1.5
48 Problema 1.6 Problema 1.10 Problema 1.13 Problema 1.12 Problema 1.11