Dinamica y cinematica de fluidos

INTRODUCCIÓN

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. En la vida cotidiana la mayoría de fluidos se encuentran en movimiento, por lo que es necesario comprender las leyes que rigen este tipo de comportamiento. Las ramas que se encargan de esto son la cinemáticay la dinámica de fluidos.

Las leyes básicas que describen el movimiento completo de un fluido son bastante complejas. Sin embargo mediante la comprensión y la aplicación correcta de las mismas y la incorporación de conceptos de mecánica y leyes de termodinámica, se han logrado diseñar grandes estructuras hidráulicas y eficientes máquinas para controlar y manejar fluidos que fluyen, escurren ose mueven.

A continuación se describen los conceptos básicos y algunas de las leyes empleadas para el estudio de los fluidos en movimiento.

OBJETIVOS

General
* Familiarizarse con los temas y términos usados en el tema de la dinámica de fluidos

Específicos
* Definir volumen de control.

* Definir las medidas de velocidad de un flujo; es decir, el caudal volumétrico,másico y de peso; así como sus respectivas dimensionales y las principales unidades empleadas.

* Definir los tipos de flujo y el principio de continuidad.

* Escribir la ecuación de continuidad así como la ecuación de la energía.

1.1 Concepto de volumen de control
Un volumen de control se refiere a una región en el espacio y es útil en el análisis de situaciones dentro y fuera delespacio. La frontera de un volumen de control es su superficie de control. El tamaño y forma del volumen de control son totalmente arbitrarios, pero con frecuencia se hacen coincidir con fronteras sólidas en partes; en otras partes se dibujan normales a las direcciones de flujo para simplificar. Por superposición de una velocidad uniforme sobre un sistema y sus alrededores, a veces se puedeencontrar una situación conveniente para la aplicación del volumen de control; por ejemplo, la determinación de la velocidad de una onda sonora en un medio. El concepto de volumen de control se usa en la derivación de las ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía. Al volumen de control también se le denomina sistema abierto. Un sistema se refiere a una masa definida de materialdistinguiéndola de toda la demás materia, denominada entorno o alrededores.

Fig. 1

Sea N, una propiedad de las partículas que constituyen un sistema, η, la propiedad por unidad de masa del sistema, ρ la densidad de las partículas del sistema y V la velocidad con que se mueven las partículas dentro del sistema; es posible demostrar que la rapidez de crecimiento de N dentro de un sistema esexactamente igual a la rapidez de crecimiento de la propiedad N dentro de un volumen de control más el flujo neto de N a través de la frontera del volumen de control.

dNdt=δδtvcηρdV+scηρdA "ecuación de Reynolds"

Donde vc= volumen de control y sc=superficie de control.

1.2 Definición de flujo
El concepto de flujo indica el movimiento o traslado de una cantidad demasa, o de un volumen de materia a través de un área a lo largo de una trayectoria.

El flujo, gasto o caudal son sinónimos e indican el volumen o la cantidad de materia que se traslada durante un intervalo de tiempo determinado.

1.3 Medidas de la velocidad de flujo
La cantidad de fluido que pasa por un sistema por unidad de tiempo puede expresarse por medio de los siguientes trestérminos:

1.4.1 Caudal volumétrico
El caudal volumétrico Q es el volumen de fluido que circula en una sección por unidad de tiempo. Es el más importante de los tres, y se calcula con la siguiente ecuación:
Q=Av

Donde A es el área de la sección y v es la velocidad promedio del flujo. Las dimensionales de Q son las siguientes:
Q=Av=L2×Lt=L3t=∀t

Siendo L la longitud, t es tiempo...