FLUIDO NEWTONIANO Es un fluido en que la l a viscosidad viscos idad puede puede ser considerada considerada constante conform conformee pasa el tiempo. Cuando se analiza la curva que demuestra la relación que posee el esfuerzo de corte corte contra contra la l a deformación deformación es lineal. li neal. Fue denominado fluido fl uido newtoniano newtonia no por Isaac Isaa c Newton Newton desde que lo describiera como flujo viscoso. visc oso. En este tipo de de fluido fl uido la viscosidad viscos idad pued puedee considerarse considerarse constante en el tiempo tiempo y sólo sól o dependerá dependerá de la temperatura. temperatura. Los fluidos se pueden pueden clasific clas ificar ar atendiend atendiendo o a la relación relaci ón que que existe exi ste entre entre el esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante. Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos. Características de un fluido newtoniano: newtoniano: El fluido newtoniano newtoniano carece de propiedades propiedades elásticas elás ticas,, es incompresible, incompresible, isotr is otróp ópico ico e irreal; aunque muchos muchos fluidos flui dos reales ofrecen un comportamiento comportamiento similar si milar al newtoniano newtoniano dentro dentro de un rango de gradientes.Cumplen con la ley de Newton de la viscosidad, vis cosidad, por por lo tanto, tanto, la relación entre entre el esfuerzo cort cortante ante y la velocidad velocidad de deformación deformación es lineal. Viscosi Vis cosidad dad y temperatura temperatura en un fluido flui do newtoniano: newtoniano: La vis La viscosidad cosidad sólo depende de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura disminuye disminuye su s u viscosidad. vis cosidad. Esto quiere quiere decir que la l a viscosidad vis cosidad es inversamente inversamente propo proporcional rcional al aumento aumento de la temperatu temperatura. ra. La ecuación ecuaci ón de Arrhenius Arrhenius predice de manera aproximada su viscosidad. viscos idad. La viscos vis cosidad idad de un fluido flui do newtoniano newtoniano no depende del tiempo de aplicaci aplic ación ón del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre. Existen Exi sten algunos fluidos comunes comunes que se s e utilizan utili zan a diario se comport comportan an como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, gas olina, el vino y algunos aceites minerales minerales.. En el caso en que la relación entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación es lineal, se s e dice que que el fluido es newton newtoniano, iano, en cualquier otro cas o se dice dice que el fluido fl uido es no newtoniano. newtoniano. A la relación relaci ón matemática matemática que existe exi ste entre entre el esfuerzo es fuerzo de de corte y la rapidez de deformación se le denomina ecuación constitutiva. por lo que cuando se habla de la viscosidad visc osidad µ (lo cual ocurre ocurre comúnm comúnmente ente en los textos de hidrodinámica) hidrodinámica) se está es tá haciendo haci endo referencia a un fluido newtoniano.
NUMERO DE REYNOLDS El concepto fue introducido por George Gabriel Stokes en 1851, pero fue nombrado por Osborne Reynolds. Reynolds en el año de 1874 estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento. Las características que condicionan el flujo laminar dependen de las propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo. Conforme aumenta el flujo másico aumenta las fuerzas del momento o inercia, las cuales son contrarrestadas por la por la fricción o fuerzas viscosas dentro del líquido que fluye. Cuando estas fuerzas opuestas alcanzan un cierto equilibrio se producen cambios en las características del flujo. En base a los experimentos realizados por Reynolds en 1874 se concluyó que las fuerzas del momento son función de la densidad, del diámetro de la tubería y de la velocidad media. Además, la fricción o fuerza viscosa depende de la viscosidad del líquido. Según dicho análisis, el Número de Reynolds se definió como la relación exis tente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas (o de rozamiento).
Donde: ρ = Densidad del fluido
D= Diametro de la turberia V= Velocidad del fluido μ = Viscocidad del fluido. Este número es adimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería. El número de Reynolds proporciona una indicación de la pérdida de energía causada por efectos viscosos. Observando la ecuación anterior, cuando las fuerzas viscosas tienen un efecto dominante en la pérdida de energía, el número de Reynolds es pequeño y el flujo se encuentra en el régimen laminar. Si el Número de Reynolds es 2100 o menor el flujo será laminar. Un número de Reynold mayor de 10 000 indican que las fuerzas viscosas influyen poco en la pérdida de energía y el flujo es turbulento.
NUMERO DE FROUDE es otro número adimensional que relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y la fuerzas de gravedad que actúan sobre un fluido. Se denomino asi por el ingeniero hidrodinámico y arquitecto naval inglés William Froude. Él numero de Froude, multiplicando y dividiendo por rA, da la relación de la fuerza dinámica (o fuerza de inercia) al peso. En los movimientos con superficie libre de liquido, la naturaleza del movimiento (rápido o tranquilo) depende de si el numero de Froude es mayor o menor que la unidad. Es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos. El numero de Froude es un parámetro importante, siempre que la gravedad sea un factor de influencia en el movimiento de un fluido. ρl4 Fuerzas de inercia F l Fr = = = t 3 = Fuerzas de gravedad W ρgl gt
Se puede reducir a:
Fr =
V gl
ρ = densidad del fluido
l = longitud de tuberia t = parámetro temporal V = velocidad del fluido g = aceleración de la gravedad
NUMERO DE WEBER El conocido número de Weber representado por "We", es considerado como un número adimensional, este número es muy usado en la mecánica de fluidos, así como también es muy utilizado en el análisis de flujos, siempre y cuando exista una superficie entre dos fluidos distintos. El número de Weber es considerado como una medida relativa a la inercia del fluido, que es comparada con la tensión superficial. Este número revibe ese nombre en honor al químico Moritz Weber, quién descubrió la importancia de tan singular y útil número. La fórmula que planteo Weber fue la siguiente (esta fórmula es utilizada en la actualidad):
We =
Donde:
ρv l σ
ρ = la densidad del fluido.
V = velocidad del fluido. l = equivale a una longitud característica. σ = equivale a la tensión superficial.
NUMERO MACH Uno de los parámetros mas importantes de los flujos unidimensionales que se presentan en el análisis de flujo compresible, es el numero de Mach, M, el cual es la relación de la velocidad local del flujo a la velocidad local del sonido dentro del fluido. El numero de Mach es una de las medidas de la importancia que tienen en un flujo determinado, los efectos de la compresibilidad. En el sentido de fuerzas, el numero de Mach es la relación existente entre las fuerzas inerciales y las fuerzas originadas por la compresibilidad del fluido. El numero de Mach es un termino constantemente utilizado por los ingenieros aerodinámicos, para tratar el movimiento de los fluidos sobre los objetos. El número de Mach recibió ese nombre en honor a Ernst Mach, quien condujo los primeros experimentos significativos relacionados con el vuelo supersónico en la universidad de Praga, Alemania. Regímenes de flujo según Mach: Teniendo como base el numero de Mach se definen generalmente cinco regímenes de flujo, en la siguiente forma: Régimen incompresible: El numero de Mach es pequeño en comparación con la unidad (aproximadamente 0.2 en un gas perfecto). En esta clasificación, los efectos de compresibilidad se consideran, generalmente insignificantes. Régimen subsónico: El numero de Mach es inferior a la unidad, pero tiene una magnitud suficiente para quedar fuera de la clasificación del régimen de un flujo incompresible. Régimen transónico: El numero de Mach es muy cercano a uno, es decir varia de valores ligeramente menores a la unidad y escasamente superiores a ella. Régimen supersónico: Es donde el numero de Mach es superior a la unidad.
Régimen hipersónico: Es cuando el numero de Mach es muy superior a la unidad. M=
Donde: V = Velocidad de fluido Vs = Velocidad del sonido
v vS
NUMERO DE EULER Es un parámetro adimensional denominado coeficiente de Cavitación. Expresa la relación entre una pérdida de presión respecto a la energía cinética por volumen de flujo. Según la formulación se tiene que este tipo de número es adimensional, que se usan en la mecánica de fluidos, que además ayudar a explicar la relación entre la pérdida de presión en relación con la energía cinética por el volumen del flujo. Esto se explica con la siguiente fórmula: Eu =
Dónde:
∆P 1 ρv 2
ΔP= Cambio de presion Presión local – presión corriente ρ= densidad de l fluido
v= Velocidad característica del flujo
HIDRAULICA Dentro de la rama de la física encontramos la hidráulica, que es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en función de sus propiedades específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos dependiendo de las fuerzas a que pueden ser sometidos. Las propiedades es pecíficas de los fluídos son: -Carencia de forma propia; lo mismo que los gas es, los líquidos adquieren la forma del recipiente que los contiene y el trabajo exigido para tal menester es muy pequeño. -Incompresibilidad; contrariamente a los gases, los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que una pequeña variación de volumen produce un notable salto de presión.
El principio de Pascal o ley de Pascal es una de las leyes básicas de la hidráulica. Según este principio tenemos que: "La presión ejercida por un fluido incomprensible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido."
CAPA LIMITE Tambien es denominada capa fronteriza de un fluido, es la zona donde el movimiento de el fluido es perturbado por la presencia de un sólido con el que hace contacto. La capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada. La capa límite puede ser laminar o turbulenta; aunque también pueden coexistir en ella zonas de flujo laminar y de flujo turbulento. En ocasiones es de utilidad que la capa límite sea turbulenta. En aeronáutica aplicada a la aviación comercial, se suele optar por perfiles alares que generan una capa límite turbulenta, ya que és ta permanece adherida al perfil a mayores ángulos de ataque que la capa límite laminar, evitando así que el perfil entre en pérdida, es decir, deje de generar sustentación aerodinámica de manera brusca por el desprendimiento de la capa límite.
FLUJO INTERNO Son los flujos que quedan completamente limitados por superficies sólidas, como lo son flujo interno en tuberías y en ductos. Considerando un flujo incompresible a través de un tubo de sección transversal circular, el flujo es uniforme a la entrada del tubo y su velocidad es igual a U0. En las paredes la velocidad vale cero debido al rozamiento y se desarrolla una capa límite s obre las paredes del tubo.
La diferencia primordial entre flujo interno y externo se encuentra en que, en flujo interno, en la región de entrada existe una capa limite y una corriente libre uniforme, que se acelera de acuerdo a la tasa de crecimiento de la capa limite; existe además una segunda y más importante diferencia que es cuando el flujo se hace completamente desarrollado. En tal caso, la velocidad varia sobre todo el conducto y no hay corriente libre o capa limite bien definida y delimitada. Se considera la región de entrada para flujo laminar, como se indica en la figura siguiente:
La velocidad es uniforme a la entrada y la capa limite crece con la distancia desde la entrada hasta que el flujo está completamente desarrollado. De la ecuación de continuidad, se observa que la parte central del flujo debe acelerarse; a través de la ecuación de Bernoulli a lo largo de una linea de corriente en esta región de corriente libre se observa que la presión debe decrecer. La figura siguiente muestra e! flujo en la región de entrada para el caso en que N Re es suficientemente grande para que el flujo se haga turbulento.
FLUJO EXTERNO En flujo externo se tiene el movimiento de un objeto en el seno de un fluido; conforme el objeto va penetrando en el fluido, las partículas son arrastradas y adquieren unas determinadas distribuciones de velocidad y de presión. En un sistema de referencia inercial fijo al objeto, se tendría un flujo uniforme que se dirige al objeto, y que alrededor de él, se divide en dos regiones: una región viscosa en las proximidades de la superficie del objeto; y una región exterior no viscosa (sin tensiones tangenciales por ser nulo el correspondiente gradiente de velocidad).
CONCLUSIONES
En el caso en que la relación entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación es lineal, se dice que el fluido es newtoniano, en cualquier otro caso se dice que el fluido es no newtoniano. El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. El número de Weber da la razón característica entre las fuerzas aerodinámicas que ejercen el gas sobre una película delgada y las fuerzas de tensión que actúan en la superficie del líquido. En el caso que el número Weber sea muy grande, entonces las fuerzas inerciales llegan a superar a las fuerzas de tensión superficial. La utilidad del número de mach reside en que permite expresar la velocidad de un objeto no de forma absoluta en km/h o m/s, sino tomando como referencia la velocidad del sonido. Los flujos externos son aquellos flujos sumergidos en un fluido sin fronteras. En un sistema hidráulico el aceite sustituye al aire comprimido que se usa en neumática, asi como muchas excavadoras, el camión de la basura, los coches, etc utilizan sistemas hidraúlicos para mover mecanismos que están unidos a un cilindro hidraulico movido por aceite. Al llamarse hidraúlica puede pensarse que solo usa agua, cosa que no es así, es más casi nunca se usa agua solo se usa aceite. La capa límite se estudia para analizar la variación de velocidades en la zona de contacto entre un fluido y un obstáculo que se encuentra en su seno o por el que se desplaza.
BIBLIOGRAFIA
FRANZINI, Joseph B., y Finnemore, E. John. (1999) Mecánica de fluidos con aplicaciones en ingeniería. 9ª Ed. Madrid. McGraw Hill, Resnick, R., Halliday, D. y Krane K. S., (2004) Física, Vol. 1, CECSA, 5ª edición, México. STREETER (1981). Mecánica de Fluidos I. Ed. Mc Graw-Hill Latinoamericana S.A. Bogotá. MOTT, Robert L. (1996) Mecánica de fluidos aplicada. México: Prentice-Hall,
INTRODUCCION Se incluye en el trabajo deficiones de conceptos que fueron mencionados en el curso de mecánica de fluidos y que en el curso de hidráulica estos son ampliados para su comprensión y además también se introducen nuevos conceptos o términos que se manejaran en dicho curso. Como primer punto esta en fluido newtoniano que viene a ser un fluido en el que se da estudio del mismo tomando la viscosidad de los líquidos como una constante y que únicamente puede variar dependiendo de la temperatura. Existen muchos números adimensionales osea que son cocientes o comparaciones, como lo es el numero de Reynolds que sirve para poder determinar si el fluido que se esta estudiando es laminar o turbulento. Tambien se menciona el numero de Froude que toma en cuenta la aceleración de la gravedad sobre un fluido. El numero de Weber es una medida de la importancia relativa de la inercia del fluido comparada con su tensión superficial. El numero de Mach compara la velocidad que lleva el fluido con la velocidad del sonido y el numero de Euler relaciona el cambio de presión con la energía cinetica del fluido. Tambien se estudio el concepto de hidráulica que es una rama de la fís ica que estudia el comportamiento de los fluidos en función de las propiedades de dicho fluido. Por ultimo se hace énfasis en la definición de flujo interno y externo asi como de la capa limite, estos tres conceptos son de mucha importancia para poder comprender el comportamiento de las velocidades en canales o tuberías.
OBJETIVOS General:
Comprender el comportamiento de fluidos tomando en cuenta las propiedades físicas de los mismos asi como el medio en donde estos se encuentra o se desplazan. Especificos:
Conocer la diferencia entre un fluido newtoniano y no newtoniano Analizar las relaciones que existen en los fluidos para conocer como es su comportamiento utilizando números adimensionales o cocientes.
Extender el concepto del tratado del agrua o de la hidráulica.
Diferenciar las características de un flujo interno y uno externo.
Comprender la utilidad de los números adimensionales para el estudio de un fluido en movimiento.
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA HIDRAULICA ING. VICTOR LOPEZ SECCION: N-
1er. TAREA – TRABAJO DE INVESTIGACION
ELMER ARIEL MORALES CORTEZ CARNE: 200721981 FECHA: 18/07/2016
