mecanica de fluidos

Dinámica de Fluidos

El flujo de fluidos es complejo y no siempre puede ser estudiado en forma exacta mediante el análisis matemático. Contrariamente a lo que sucede con los sólidos, las partículas de fluido en movimiento pueden tener diferentes velocidades y están sujetos a distintas aceleraciones. Tres principios fundamentales permiten predecir el comportamiento de los fluidos:

a)Principio de conservación de la masa, a partir del cual se establece la Ecuación de Continuidad.

b) Principio de la energía cinética, a partir del cual se deducen Ecuaciones de Movimiento aplicables al flujo.

c) Principio de la Cantidad de Movimiento, a partir del cual se deducen ecuaciones para calcular las fuerzas dinámicas ejercidas por fluidos en movimiento.

Adicionalmente, para flujoestacionario de gas ideal se aplican la primera y segunda ley de la Termodinámica.

Tipos de Flujo

1. Flujo Unidimensional: Todos los vectores de velocidad del campo son paralelos, pero no necesariamente iguales. Es decir, son paralelos pero pueden tener diferentes módulos.

2. Flujo Laminar: Las partículas de fluido se mueven en capas, sin corrientes transversales ni torbellinos. Este tipo deflujo es gobernado por la ley de viscosidad e Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la rapidez de deformación angular.

En el flujo laminar la acción de la viscosidad amortigua las tendencias a la turbulencia.

3. Flujo Turbulento: Las partículas de fluido se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares que dan lugar a mezcla lateral. El flujo turbulento produce intercambio decantidades de movimiento que convierte la energía mecánica en calor. Es el tipo de flujo más frecuente encontrado en aplicaciones de ingeniería.

4. Flujo Irrotacional: Flujo en fluidos ideales sin viscosidad, que no pueden transmitir tensiones tangenciales.

5. Flujo a Régimen Permanente: Las propiedades del fluido y las condiciones del movimiento no cambian con el tiempo:

Además, en flujo arégimen permanente no hay cambio en la densidad “”, presión “p” o temperatura “T” con el tiempo en cualquier punto:

En el flujo turbulento, debido al movimiento al azar de las partículas fluidas, siempre se presentan pequeñas fluctuaciones en un punto, pero la velocidad temporal media no cambia en el tiempo:

t: tiempo
ut: velocidad temporal media
u: velocidad

6. Flujo Uniforme: Tiene lugarcuando el módulo, la dirección y el sentido de la velocidad no varían de un punto a otro del fluido:
; s: espacio
Un ejemplo es un líquido que fluye a través de una tubería recta de sección constante.

Sistema y Volumen de Control

Sistema: Cantidad de masa definida de material diferenciada de toda la demás materia por fronteras (de sistema) reales o imaginarios que la separan delentorno o alrededores. Las fronteras de un sistema forman una superficie cerrada que puede variar con el tiempo, de manera de que contenga la misma masa durante los cambios en su condición.
La ley de la conservación de la masa afirma que la masa dentro de un sistema permanece constante con el tiempo, si no se toman en cuenta los efectos de la relatividad:
; m: masa total
La segunda leydel movimiento de Newton para un sistema generalmente se expresa como:

m: masa constante del sistema
V: velocidad del centro de masa del sistema

F: resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el sistema, incluyendo fuerzas de cuerpo tal como la gravedad.
A este tipo de sistema también se le denomina sistema cerrado.

Volumen de Control: Se refiere a una región en el espacioy es útil en el análisis de situaciones donde ocurre flujo dentro y fuera del espacio. La frontera de un volumen de control es su superficie de control. Al volumen de control también se le denomina sistema abierto.

Ecuación de Continuidad (Flujo a régimen permanente)

En el balance de materia que tiene lugar en un tubo de corriente, que no puede existir flujo a través de las paredes del...