L5 Impacto De Chorro GUIA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y
APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS
PRACTICA N° 5

IMPACTO DE CHORRO
1.

INTRODUCCIÓN

Dentro del estudio del flujo de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una
superficie como una base para el desarrollo de la teoría de la mecánica de fluidos y turbomáquinas hidráulicas. Una forma deproducir trabajo mecánico a partir de un fluido bajo presión
es usar la presión para acelerar el fluido a altas velocidades de un chorro. El chorro es dirigido a las
paletas de una turbina, la cual gira por la fuerza generada en las aspas debido al cambio de
momento o impulso que toma lugar cuando el chorro pega en las paletas. En este experimento, la
fuerza generada por un chorro de agua que impactaun plato plano, una superficie oblicua o una
copa semiesférica puede ser medida y comparada con el momento del flujo en el chorro.
Figura 1. Banco de Impacto de chorro.

Fuente: Laboratorio de STAF

2.

TEMAS DE CONSULTA

 Impulso y Cantidad de movimiento.
 Teorema de conservación de la masa.

 Fuerzas debido a fluidos en
movimiento.
 Teorema de Bernoulli

3.

IMPLEMENTOS

 Placas: Plana,Semiesférica y Oblicua.

4.

 Pesas de 500 [g], 200 [g] y 100
[g].
 Regla.

DESCRIPCIÓN DEL BANCO

El banco de impacto de chorro, Figura 2, tiene una distribución en la cual el suministro de agua
es dirigido hacia una tubería vertical terminada en una boquilla cónica. Esto produce un chorro de
agua que choca en la placa en forma de un plato plano, de copa semiesférica o placa con una
inclinaciónde 30o. La boquilla y la placa están contenidas dentro de un cilindro de acrílico
transparente, en la base del cilindro hay una salida por la cual el flujo es drenado hacia tanque.
Figura 2. Banco Impacto de Chorro

Fuente: Laboratorio de STAF
5.

MARCO TEÓRICO

Considere una placa simétrica alrededor del eje Y como muestra la Figura 3. Un flujo de chorro
a una rata de 𝒎̇ [𝒌𝒈⁄𝒔] a lo largo del ejeY con una velocidad 𝑽𝟏 [𝑚⁄𝑠] golpea la placa y es
desviado por esta un ángulo 𝜷, de manera que el fluido deja la placa con una velocidad 𝑽𝟐 [𝑚⁄𝑠]
a un ángulo 𝜷 respecto al eje Y. Los cambios en la elevación y en la presión piezométrica del
chorro desde que golpea la placa hasta su salida son despreciables para el caso.
Figura 3. Esquema de las tres placas. (a) Placa Plana (b) Placa Oblicua (c)Placa Semiesférica

Si tomamos en cuenta el efecto del peso del chorro de agua antes de llegar a la placa tenemos
un intercambio de energía cinética por energía potencial, aplicando la ecuación de Bernoulli
tenemos: (Ver Figura 4).
𝑉1 2
𝑃1
𝑉2 2
𝑃2
+
+ 𝑧1 =
+
+ 𝑧2
2𝑔
𝜌𝑔
2𝑔
𝜌𝑔

(𝟏)

Figura 4. Análisis de energía

Lo que se convierte en:

𝑉1 2
𝑉2 2
+ 𝑧1 =
+ 𝑧2
2𝑔
2𝑔

(𝟐)

2

𝑉1 2 = √𝑉2 2 + 2𝑔 ∗ (𝑧2 −𝑧1 )

(𝟑)

Consideremos un chorro de agua que impacta sobre una placa causando un cambio de
dirección del chorro en un ángulo 𝜷 respecto al chorro incidente en dirección del eje Y,
despreciando la fricción producida entre el chorro y la placa; tenemos que la magnitud de la
velocidad por la superficie de la placa (𝑉2 ) es proporcional a la velocidad de entrada (𝑉1).
Aplicando las ecuaciones deconservación de la cantidad de movimiento en un volumen de control
obtenemos:

∑ 𝐹𝑦 = ∑ 𝑚̇2 ∗ 𝑉2 − ∑ 𝑚̇1 ∗ 𝑉1
𝑠𝑎𝑙

(𝟒)

𝑒𝑛𝑡
2

∑ 𝐹𝑦 = ∑ 𝜌 ∗ 𝑉2 ∗ 𝐴2 − ∑ 𝜌 ∗ 𝑉1 2 ∗ 𝐴1
𝑠𝑎𝑙

(𝟓)

𝑒𝑛𝑡

Debido a que la masa no se acumula dentro del volumen de control podemos concluir que:
𝑄1 = 𝑄2 = 𝑄𝑛

(𝟔)

𝑄1 = 𝑉2 ∗ 𝐴2 = 𝑉1 ∗ 𝐴1

(𝟕)

Para la aplicación de la ecuación (𝟒) requerimos la magnitud del vector velocidad 𝑽𝟐 enla
componente Y, según la Figura 4.
𝑉2 = 𝑉1 ∗ cos 𝛽

(𝟖)

Aplicando las ecuaciones (𝟕) y (𝟖) en la ecuación (𝟓) obtenemos:
𝐹𝑦 = 𝜌 ∗ 𝑄 ∗ 𝑉1 ∗ (1 − cos 𝛽)

(𝟗)

Se obtiene la ecuación:
𝐹𝑦 = 𝜌 ∗ 𝑄 ∗ √𝑉2 2 + 2 ∗ 𝑔 ∗ (𝑧2 − 𝑧1 ) ∗ (1 − cos 𝛽)

(𝟏𝟎)

Finalmente:
𝑄 2
𝐹𝑦 = 𝜌 ∗ 𝑄 ∗ √( ) + 2 ∗ 𝑔 ∗ (𝑧2 − 𝑧1 ) ∗ (1 − cos 𝛽)
𝐴

(𝟏𝟏)

Este valor representa la fuerza teórica de impacto aplicada sobre cada...