Sustentacion Y Arrastre

UPM/ETSII
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
ENERGÉTICA Y FLUIDOMECÁNICA
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
PRÁCTICAS DE
MECÁNICA DE FLUIDOS
CONTENIDO
GUIÓN DE LA PRÁCTICA: Fuerza sobre cuerpos.
ANEXO 1: Guión de redacción de las memorias de mecánica de fluidos.
ANEXO 2: Portada de la práctica.
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Práctica de fuerzas sobre cuerpos Página 2 de 25
PRÁCTICA MF
FUERZASSOBRE CUERPOS
Guión de la práctica
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Mecánica de Fluidos
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1 OBJETO DE LA PRÁCTICA
El objeto de esta práctica es determinar la
s fuerzas que una corriente fluida ejerce sobre
cuerpos inmersos en la misma. En particular, se
realizarán ensayos en un túnel de viento sobre
dos modelos, uno cilíndrico yotro con forma de ed
ificio, para calcular las fuerzas por unidad de
anchura que ejerce la corriente sobre un tanque de
almacenamiento y una nave industrial a escala
1:100.
2 GENERALIDADES
2.1 Tipos de fuerzas sobre cuerpos sumergidos
En general, la fuerza ejercida sobre
un cuerpo totalmente sumergido en un flujo
estacionario e incompresible tiene la forma de la ecuación (1):
A
ρ
U
2
1C
F
2
F
r
r
=
(1)
donde C
F
es un coeficiente función del número de Re
ynolds y de la forma del objeto, cuya área
característica vale
A
r
Ⱐ敮瑲慳ⁱ略
ρ
es la densidad y U la veloci
dad de la corriente incidente.
Esta fuerza total se puede descomponer en dos componentes: una en el sentido del movimiento,
que llamaremos de resistencia al avance, y otra
en la normal a la direcciónincidente, llamada
fuerza de sustentación.
2.1.1 Fuerzas de resistencia al avance
La fuerza resistente es igual a:
frontal
2
D
D
A
ρ
U
2
1
C
F
=
(2)
donde C
D
es un coeficiente adimensional, llamado
de resistencia, función del número de
Reynolds y de la forma, y A
frontal
es el área transversal a la corriente, ver figura 1. A título
ilustrativo, se muestran, en la tabla 1,los valores de C
D
según la forma del cuerpo para Reynolds
mayores de 10
4
. Además, en la figura 2, se muestra la
evolución histórica del coeficiente de
resistencia del automóvil.
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Figura 1: Esquema de dimensiones y secciones.
Tabla 1: Coeficientes de resistencia de
cuerpos bidimensionales para Reynolds
≥
104
.
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Figura 2: Evolución histórica del coeficiente de resistencia para el automóvil.
2.1.2 Fuerzas de sustentación
Cuando un cuerpo está inmerso en una corri
ente fluida, además de las fuerzas de
resistencia, existen fuerzas de sustentación que
son normales a la dirección incidente. La fuerza
sustentadora esigual a:
planta
2
L
L
A
ρ
U
2
1
C
F
=
(3)
donde C
L
es un coeficiente adimensional, que denominaremos de sustentación, función del
número de Reynolds y de la forma, y A
planta
es el área en la dirección del movimiento, ver figura
1. Estas fuerzas pueden ser de varios tipos según su origen:
a) Por distorsión no simétrica. Cuando un objeto in
merso en una corriente fluidadistorsiona de
forma no simétrica el campo de velocidades, las líneas de corriente sobre sus superficies se
aproximan, aumentando la velocidad y consecu
entemente disminuyendo la presión. Si la
disminución de la presión de la cara superior es
mayor que la de la cara inferior, surgen fuerzas
sustentadoras. En la figura 3 se puede observa
r la modificación de las líneas de corriente y
presiónalrededor de un camión y varios automóv
iles. Además, en la figura 3b, se muestra la
distribución de presiones típica en el plano de
simetría de un automóvil de tres volúmenes: la
curva de presiones que se encuentra fuera de
l contorno indica una presión negativa (succión)
mientras que la que está dentro del contorno
indica una presión positiva (todas las presiones son
manométricas)....