Flujos externos


Índice:
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Introducción 2
Concepto de capa limite
Perfil de velocidad para:
Zona laminar
Zona en transiciónZona turbulenta
Fuerzas de arrastre
Fuerzas de sustentación
Ejemplos de:
Zona laminar
Zona turbulenta
Ejercicios de:
Fuerza de arrastre
-Para líquido
-Para gas
Ejercicios de:
Fuerza de sustentación
-Cuerpos aerodinámicos
Conclusión
Fuente de informaciónIntroducción
Un concepto que es muy importante para entender cómo se comporta el aire cuando es atravesado por un cuerpo, y que es la base de las fuerzas que actúan sobre él, sin las cuales el vuelo de aves, aviones y similares sería imposible. Es algo que se suele mencionar cuando sehabla de aviones y de aerodinámica.
La complejidad de los flujos viscosos, y en particular de los flujos turbulentos, restringió en gran medida los avances en la dinámica de fluidos hasta que el ingeniero alemán Ludwig Prandtl observó que muchos flujos pueden separarse en dos regiones principales. La región próxima a la superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran losefectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático.
La teoría de la capa límite postula, muy gráficamente, que un fluido que recorre una superficie, perfectamente lisa en el caso más conceptual, experimenta a lo largo de su volumen más próximo a dicho sólido un gradiente de velocidades.

Concepto de capa limite
Si un cuerpo se moviera en el vacío o en un fluidono-viscoso se desplazaría sin esfuerzo (μ=0). Siendo el aire y el agua fluidos muy poco viscosos no se entendía cómo ofrecían tanta resistencia; a menos que el gradiente de velocidad en la pared sea enorme.
Para ello tiene que existir una capa d que a veces es de micras, en la que la velocidad v de las distintas láminas pasan de valer cero en la pared a adquirir la velocidad u (0,99·u) del flujo; porlo que no era posible obtener el perfil de velocidades mediante un tubo de Pitot. Prandtl fue capaz de imaginar esta capa a la que llamó capa límite.

La región al interior de la capa límite presenta las siguientes características:
Velocidad del fluido en el contacto con la frontera sólida es cero.
El gradiente de velocidad y el esfuerzo cortante tiene valores máximos en la frontera ydisminuyen a medida que se alejan de ésta.
Fuera de la capa límite, el gradiente de velocidad es prácticamente cero, es decir que los esfuerzos cortantes y los efectos viscosos son despreciables.

Perfil de velocidades
La velocidad del flujo no es constante a través de la sección recta del conducto, si no que varía de acuerdo al punto donde se determine. Esto se debe a que la velocidad no tienedistribución uniforme a través de la sección por la influencia de la viscosidad del fluido, las rugosidades del conducto y de la misma turbulencia sobre el desplazamiento de los filetes líquidos.
El gradiente de velocidades viene ocasionado por una serie de esfuerzos cortantes que se generan en los intersticios de las capas de moléculas de dicho fluido, y su curvatura se genera desde el punto máscercano al sólido. Cabe destacar que el grosor de la capa límite viene definido, para una superficie lisa, por la diferencia de velocidades entre superficie y fluido, así como por la viscosidad del propio fluido.
Para régimen laminar, la distribución vertical de la velocidad sigue una ley parabólica, mientras que en régimen turbulento lo hace de acuerdo a una ley logarítmica, Figura 4.
Las...