variación hidráulica

VI.1

UNIVERSIDAD DEL CAUCA
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA

PRÁCTICA VI
VI

VI.1

VARIACIÓN VERTICAL DE LA VELOCIDAD
EN CONDUCTOS A FLUJO LIBRE

OBJETIVOS
Determinar la variación vertical de la velocidad en flujo libre.
Comparar gráficamente el perfil de velocidad obtenido experimentalmente con el
perfil teórico para flujo libre.

VI.2

GENERALIDADES

VI.2.1 Teoría de CapaLímite
En la gran mayoría de fenómenos a los que se enfrenta el ingeniero civil se presenta flujo
turbulento, es decir que los efectos viscosos son despreciables. Sin embargo, los efectos
friccionales se confinan en una capa delgada en la vecindad con el límite sólido conocida
como capa límite. La región al interior de la capa límite presenta las siguientes
características:
Velocidad del fluido enel contacto con la frontera sólida es cero.
El gradiente de velocidad y el esfuerzo cortante tiene valores máximos en la
frontera y disminuyen 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.

Figura VI.1

Zonas de la capa límite. Modificado de Vennard &Street 1985.

En la capa límite el flujo puede ser laminar o turbulento como se visualiza en la Figura
VI.1. La capa límite laminar se desarrolla al comienzo de la frontera sólida donde los
efectos viscosos se confinan a dicha capa. Sin embargo, al avanzar el flujo ella misma
constituye un obstáculo de tal forma que se torna turbulenta. Esta turbulencia es posible
por el efecto de lasirregularidades de la superficie de la pared. El espesor de la capa límite
turbulenta crece más rápidamente que el espesor de la capa límite laminar.

VI.2

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Al interior de la capa límite turbulenta se puede presentar una subcapa con comportamiento
laminar si la superficie de la pared es relativamente lisa, puesto que se forma una películadelgada en donde se confinan los efectos viscosos y se denomina subcapa laminar viscosa.
En cuanto a la velocidad, se observa que el efecto viscoso se confina a la capa límite, es
decir a partir de la capa límite el gradiente de velocidad es despreciable. En la capa límite
laminar la distribución transversal de velocidades es aproximadamente parabólica.
Si las protuberancias de la superficie(rugosidad absoluta ) es menor que 0.305 0, las
irregularidades son tan pequeñas que su efecto no traspasa la frontera de la subcapa
laminar y se dice que la superficie de la pared se comporta como hidráulicamente lisa
(Figura VI.2 (a)). Si las rugosidades son muy grandes ( > 6.1 0) extienden su efecto más
allá de la subcapa laminar y se dice que la superficie es hidráulicamente rugosa (FiguraVI.2 (c)). La zona intermedia se denomina de transición (Figura VI.2 (b)).

(a)
Figura VI.2

(b)

(c)

Espesor de la subcapa laminar comparado con la rugosidad absoluta. Sotelo,
1982.

VI.2.2 Perfiles de velocidad
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 notiene
distribución 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.
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 VI.3.
Las ecuacionesteóricas para la velocidad puntual (Vy) y la velocidad media V son:
a)

Vy

V

Régimen laminar

gS f

gS f R 2
8

Ry

y2
4

(VI.1)

(VI.2)

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Figura VI.3

b)

Vy

VI.3

Perfil de velocidad en régimen de flujo (a) laminar y (b) turbulento.
Modificado de Mott, 1994

Régimen turbulento

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15 y
a...