FENÓMENOS DE TRANSPORTE I (TF-1221) (Mecánica de Fluidos) [email protected] PROGRAMA • Introducción: Hipótesis del continuo. Definición de fluido. Postulados fundamentales. Comportamiento de los materiales ante fuerzas externas. Definición de esfuerzo. Viscosidad y relación de Newton. Fluidos Newtonianos y no-Newtonianos. Estimación de la viscosidad • Estática: Presión. Ecuación fundamental de la Estática de los Fluidos. Manómetros. Fuerzas sobre objetos sumergidos. Principio de Arquímedes. Tensión superficial. Ecuación de Laplace-Young. Capilaridad. • Cinemática: Campo de velocidades. Tipos de flujo. Descripción puntual del movimiento: Descripción Lagrangiana y Euleriana del movimiento. Derivadas parcial, total y material. Líneas de corriente. Teorema del Transporte de Reynolds Conservación de la Masa: Ecuación de Continuidad. • Dinámica: Principio de Conservación de la Cantidad de movimiento: Ecuación de Cauchy. Ecuaciones de movimiento en diferentes sistemas coordenados. Ecuaciones de Navier-Stokes. Condiciones de borde. • Ecuaciones de movimiento en régimen laminar: Flujo estacionario unidimensional en tubos circulares. Ecuación de Hagen-Poiseuille. Flujo de Couette. • Capa límite: Introducción a la teoría de la capa límite. Capa límite sobre una placa plana: Solución de Blasius. Relaciones para capa límite turbulenta sobre una placa plana. Análisis dimensional. Coeficiente de arrastre: Definición y aplicaciones. Construcción de números adimensionales. • Balances Macroscópicos: Balances macroscópicos de masa y cantidad de movimiento. Ecuación de la energía mecánica. Ecuación de Bernoulli. • Flujo en tuberías: Factores de fricción. Pérdidas de carga en tuberías y accesorios. • Bombas: Clasificación: rotatorias, reciprocantes y centrífugas. Bombas centrífugas: curvas características, eficiencia, selección. Cabezal neto positivo de succión (NPSH). • Medidores de flujo: Rotámetro, Placa orificio, Tobera y Venturi. Medidores de velocidad: Tubo de Pitot. Hipótesis del medio continuo La hipótesis del medio continuo establece que un fluido o un sólido deformable pueden ser adecuadamente MODELADOS MATEMÁTICAMENTE como continuos, donde la densidad del medio es un campo escalar continuo, que la velocidad, la aceleración son campos vectoriales continuos, y que las tensiones en el interior del fluido vienen dadas por un campo tensorial continuo e igualmente para otras magnitudes relevantes, se asume que vienen descritas por algún tipo de campo continuo. ¿Qué es un FLUIDO? Se denomina FLUIDO a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas solo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendientes a recuperar la forma “original”. La Mecánica de Fluidos es la ciencia que trata del comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de la interacción con sólidos u otros fluidos, en las fronteras. En Fenómenos de Transporte se consideran los eventos donde se aprovechan las propiedades de los fluidos para el intercambio de energía entre dos potenciales. Propiedades físicas de la materia Las propiedades físicas de la materia son las características visibles y propias de una sustancia que pueden ser medidas y no producen nuevas sustancias químicas. Las propiedades EXTENSIVAS son dependientes de la MASA mientras que las INTENSIVAS, no Propiedades mas utilizadas en FLUIDOS: Otras Propiedades mecánicas y termodinámicas... Coeficiente de Compresibilidad (Módulo de Elasticidad de Volumen) Coeficiente de Expansión Volumétrica (Expansividad Volumétrica) Viscosidad La VISCOSIDAD de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción. Definiciones previas: Condición de NO deslizamiento: Un fluido en contacto directo con un sólido se pega a la superficie debido a los efectos viscosos y no hay deslizamiento en la zona de contacto. Perfil de Velocidades: Representación gráfica de la velocidad de un fluido, en función de la distancia perpendicular a la dirección del flujo. Flujo de Couette: En mecánica de fluidos, Flujo de Couette se refiere al flujo laminar de un fluido viscoso en el espacio entre dos planos paralelos (placas), en el que uno está en movimiento relativo con respecto al otro. En mecánica de sólidos, si se somete un medio continuo sólido (Goma por ejemplo) a fuerzas de tipo CORTANTE, éste se deforma de manera PROPORCIONAL hasta cierto límite. El esfuerzo cortante es proporcional a la deformación y viene dado por: Definición matemática de la VISCOSIDAD Por similaridad de Triángulos: Entonces: Derivando u con respecto a (y): La deformación del fluido es proporcional a la velocidad de la placa superior. El diferencial de desplazamiento es proporcional al ángulo de deformación con respecto a la vertical, entonces: De aquí se puede decir que: Debido a que el esfuerzo cortante es proporcional a la deformación y ésta es a su vez proporcional a la velocidad : y Al término µ que representa el factor de proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad se le denomina: VISCOSIDAD DINÁMICA La viscosidad dinámica se mide, en unidades del sistema internacional (MKS), en Pascal.Segundo (Pa·s), o New·s·m-2, o kg·m−1·s−1. En el sistema CGS se denomina POISE (P), donde: 1 Poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Viscosidad Cinemática Tipos de fluidos segun la viscosidad En el Sistema CGS se utiliza el STOKES (St). 1 St = 100 cSt = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s La ecuación característica para fluidos NO newtonianos es dada por la “Ley de Potencias” Fluidos Newtonianos Un fluido newtoniano es un fluido cuya VISCOSIDAD puede considerarse constante. En términos “Generales” la FUERZA DE CORTE que se produce por interacción viscosa entre un fluido y una SUPERFÍCIE DE CONTACTO con un sólido viene dada por: Si el “Espesor” de la capa de fluido es pequeño, se puede considerar que: La fuerza cortante se puede calcular de la siguiente manera: Resumen y Ejemplos: https://view.genial.ly/5c56cc95a558062c2eb327ab/interactive-content-viscosidad
