MOVIMIENTO DE FLUIDOS

INGENIERIA EN ENERGIA UNS

TERMODINAMICA II

5. MOVIMIENTO DE FLUIDOS: TOBERAS Y DIFUSORES

5.1 INTRODUCCIÓN
El propósito de este capitulo es describir los aspectos termodinámicos del movimiento de
fluidos. En este estudio se tratará de la variación de las propiedades de un fluido que
experimenta en un proceso. Este proceso puede ser reversible o irreversible, y el fluido, puede
ser compresibleo incompresible.

Existe una gran superposición entre los análisis

termodinámicos y los análisis de la mecánica de fluidos. El objetivo de este capitulo será
analizar los casos que requieren de explicación termodinámica. Todo flujo o corriente de fluido
es irreversible y tridimensional, pero esta consideración impide un análisis accesible. Podemos
evaluar aproximadamente un gran numero decondiciones de flujo suponiendo movimiento del
fluido en régimen permanente, es decir, corriente constante y unidimensional, y estado estable.
Las limitaciones o restricciones que emplearemos en este capitulo son:


El Flujo másico es Unidimensional



Régimen permanente, intensidad constante a través de un conducto (permanencia en
el tiempo)



Estado estable, las propiedades de un fluido en unpunto no varían tampoco con el
tiempo.

Estas condiciones pueden parecernos demasiado restrictivas, pero en muchos casos los
cambios reales que se producen respecto de tales condiciones, son pequeños y es posible
despreciarlos.
Nos interesa particularmente el movimiento de un fluido a través de una tobera, aspecto muy
importante en el diseño de turbinas. Las toberas tienen dos funciones básicas:dirigir el fluido
en la dirección deseada y convertir en energía cinética la energía térmica de la sustancia
fluyente. Analizaremos en detalle la ultima de estas funciones; sin embargo no estudiaremos la
optimización y el análisis del ángulo de acción de las toberas y la configuración angular de los
alabes.
La velocidad sónica se define en términos de las propiedades termodinámicas y se hace notarla importancia del número de Mach como una variable en el flujo compresible.

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BENITES-CALDERON-ESCATE

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5.2 VELOCIDAD SÓNICA O ACÚSTICA
Cuando en un fluido compresible se produce una perturbación de presión, la perturbación viaja
con una velocidad que depende del estado del fluido. La onda de sonido es una perturbación
de presión. En condicionesatmosféricas normales la velocidad del sonido en el aire es
aproximadamente 336 m/s. Una propiedad importante en el estudio de un flujo de gas es la
velocidad del sonido a través del gas, la velocidad sónica o velocidad acústica. Por tanto,
derivaremos ahora una expresión para la velocidad sónica en un gas en términos de las
propiedades del gas.

Figura 5.1 Una pequeña onda de presión en un sistemacoordenado estacionario

Consideremos la figura 5.1, donde se ilustra una pequeña onda de presión ocasionada por un
embolo, y que se desplaza a través de un fluido compresible. La onda de presión debe ser lo
suficientemente débil para que los cambios de propiedad del fluido en el fluido sean pequeños
desde el punto de vista diferencial.

Si la onda es demasiado grande no se cumplen lascondiciones de cambio diferencial de las propiedades, y no es valido entonces el siguiente
análisis. La onda generada por el movimiento del embolo de la figura 5.1, se desplaza a la
velocidad acústica, a, a través del gas estacionario. Si un observador viaja en la onda de
presión, le parecería que el fluido avanza desde la región estacionaria (a la derecha) con la
velocidad acústica, y que se aleja a unavelocidad diferente debido al cambio de presión a
través del frente de onda. La masa tiene que observarse al entrar y salir de la superficie de
control. La suma de las fuerzas debe corresponder al equilibrio.

Fnet  PA  ( P  dP) A
También con la ecuación de cantidad de movimiento,

Fnet  m v x 2  mv x1
Se considera que los efectos de fuerza cortante y de fricción son despreciables.

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