UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – MECÁNICA – ENERGÍA ENERGÍA INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
“TEXTO: APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA MECÁNICA DE FLUÍDOS INCOMPRESIBLE”
INFORME FINAL
JEFE DEL PROYECTO ING. JORGE LUIS ALEJOS ZELAYA
CRONOGRAMA 01 OCTUBRE 2011 AL 30 SETIEMBRE 2013
RESOLUCIÓN RECTORAL Nº 1081-2011-R
CALLAO- PERÚ
2013
ÍNDICE
RESUMEN
1
INTRODUCCIÓN
2
MARCO TEÓRICO
4
MATERIALES Y MÉTODOS
5
RESULTADOS
6
CAPÍTULO 1
7
DIMENSIONEM BÁSICAS – SISTEMA DE UNIDADES – PRINCIPIO DE HOMOGENEIDAD CAPÍTULO 2
28
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CAPÍTULO 3
80
HIDROSTÁTICA CAPÍTULO 4
167
CINEMÁTICA DE LOS FLUIDOS – CUANTIFICACIÓN DE FLUJOS FLUIDOS CAPÍTULO 5
196
ANÁLISIS GLOBAL DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE LOS FLUIDOS DISCUSIÓN
284
REFERENCIALES
285
APÉNDICE
286
ANEXOS
289
1
RESUMEN
La Mecánica de Fluidos Incompresible es una de las disciplinas del amplio campo de la Mecánica que estudia el comportamiento comportamiento de líquidos en reposo reposo ó en movimiento. movimiento. En casi la totalidad de los Procesos Industriales de conversión de energía, un fluido está siempre en juego ya sea cediendo o tomando energía de un sistema mecánico y lo que se diseña para estar en contacto con ellos ellos o utilizarlos utilizarlos de algún modo, requiere de su conocimiento para su orientación en las diversas aplicaciones. El propósito es presentar el “ TEXTO: APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA MECÁNICA DE FLUÍDOS INCOMPRESIBLE” en forma ordenada y sistemática, como una disciplina estimulante y útil a los estudiantes de las ramas de la Ingeniería, siendo esta un vértice de un triángulo en la mejora del proceso de Enseñanza – Aprendizaje que no sufre las presiones de un tiempo limitado, siendo los otros dos vértices el Profesor Profesor y el Estudiante Por tratarse de un texto universitario, este este tiene una estructura didáctica con análisis y metodología propia propia en la solución clara de cada uno de los problemas de aplicación que se presentan, lo que permitirá a los estudiantes estudiantes a reconocer e identificar los problemas y su relación con la labor del ingeniero, en el análisis y diseño de cualquier sistema en el cual el fluido incompresible es la sustancia de trabajo. El contenido del trabajo se ha ha estructurado siguiendo el enfoque enfoque típico del estudio la Mecánica de Fluidos y se
resuelven problemas de aplicación en forma forma secuencial de:
Dimensiones Básicas - Sistema de Unidades – Principio de Homogeneidad. Propiedades de los Fluidos. Hidrostática. Cinemática de los Fluidos - Cuantificación de Flujos Fluidos. Análisis Global del comportamiento dinámico de los fluidos. Profesores y Estudiantes construyen el saber, moldean las ideas, aportan visiones diferentes, de esta forma la mejora del APRENDIZAJE de la materia en estudio estudio se me planteó desde un comienzo comienzo como un intercambio permanente de experiencias, en que los que aportan son tanto el Estudiante como el Profesor. Por ello debo manifestar que dichos actores del sistema universitario son definitivamente los autores de este texto ya que no hubiera sido posible este trabajo sin la colaboración de quienes lo escucharon y lo fueron enriqueciendo con sus visiones particulares e inquietudes.
2
INTRODUCCIÓN
Este texto está preparado para que que el estudiante de pregrado de Ciencias Básicas de Ingeniería, pueda identificar, identificar, analizar, plantear plantear y solucionar solucionar problemas de aplicación aplicación de la Mecánica de Fluidos Incompresible tomando como referencia el modelo estructural tradicional en su contenido: contenido: Dimensiones Básicas - Sistema de Unidades – Principio de Homogeneidad. Propiedades de los Fluidos. Fluidos. Hidrostática. Cinemática de los Fluidos - Cuantificación de Flujos Fluidos. Análisis Global del del comportamiento dinámico dinámico de los fluidos, en las condiciones que corrientemente se encuentran en Ingeniería. Adicionalmente se busca poner al alcance del lector un medio complementario práctico de apoyo para una mejor comprensión de una disciplina fuertemente conceptual, donde el estudiante estudiante podrá aprender a manejar métodos y técnicas en el análisis cuantitativo de la solución de los casos prácticos del comportamiento de los fluidos incompresible
y
entienda las limitaciones que estos procedimientos puedan tener.
Se supone que el alumno posee conocimientos en el Calculo Diferencial e Integral, las nociones básicas de la Mecánica en relación a condiciones de equilibrio estático, cinemática y dinámica de la partícula. Los conceptos necesarios de Termodinámica pueden adquirirse en forma paralela. En el Primer Capítulo Capítulo se dan solución a problemas sobre Sistemas de Unidades y Análisis Dimensional. Actualmente se utilizan en algunos países dos sistemas sistemas básicos de unidades, el Sistema Gravitacional Británico al que nos referimos como Sistema Ingles y el Sistema Internacional (SI), que se basa en el sistema MKS con algunas modificaciones. Finalmente se busca la relación entre entre la fuerza, masa y aceleración, por la Segunda Ley de Newton. En el Segundo Capítulo de Propiedades de los Fluidos, se tratan problemas del comportamiento de los fluidos como un medio continuo, sin considerar lo que ocurre a nivel de sus moléculas; así mismo se analizan sus propiedades intensivas y extensivas. Al término de este capítulo el lector podrá distinguir el comportamiento de un fluido en comparación con el de otros estados de la materia y conocerá el orden de magnitud de las propiedades básicas del agua y del aire.
3 En el Tercer Capítulo, Capítulo, se da soluciones soluciones a problemas en las condiciones de equilibrio bajo las cuales un fluido está está en reposo, reposo, sabiendo que para ello se requiere que todos los elementos que lo forman se muevan a la misma velocidad, es decir que no se desplacen unos con respecto a los otros y por lo tanto no haya escurrimiento. El fluido está entonces detenido o se mueve como si fuera un cuerpo rígido sin deformarse Mediante el uso adecuado de la ecuación General de la Hidrostática es posible determinar las condiciones generales de equilibrio de grandes masas de fluidos, calcular las fuerzas que ejercen los fluidos en reposo sobre las superficies que se encuentran en contacto con ellos o los recipientes que los contienen, las fuerzas sobre cuerpos sumergidos y flotantes, así como sus condiciones de equilibrio y medir las presiones en cualquier punto al interior del fluido. En el Cuarto Capítulo se Capítulo se describe el movimiento del fluido como un medio continuo. El método de Lagrange se basa en el uso de las trayectorias y el de Euler utiliza las líneas de corriente. El fluido al moverse se traslada, rota y deforma, todas estas transformaciones dependen del campo de velocidades y son determinadas a través de las características cuantificables del movimiento en los diversos problemas de aplicación a plicación que se presentan. En el Quinto Capítulo Capítulo se dan soluciones de problemas prácticos, recurriendo al enfoque de Sistema y de Volumen y la forma que se comportan las propiedades intensivas y extensivas del sistema. Así mismo debe entender claramente claramente la relación entre la variación de una Propiedad del Sistema y las variaciones de de esa propiedad en un Volumen de Control de acuerdo al Teorema del Transporte de Reynolds.
Las leyes básicas que se aplican a un Volumen de Control, en el análisis global del comportamiento de un fluido corresponden a: Conservación de la Masa, Conservación de de la Energía, Cantidad de Movimiento y Momento Momento de la Cantidad Cantidad de Movimiento, Movimiento, con aplicación de problemas a: Control y Medida de flujos flujos fluidos, Máquinas Hidráulicas, Hidráulicas, su función y el papel que juega en los intercambios de energía de un fluido en que intervengan: Bombas, Ventiladores y Turbinas, Deflector Estacionario, Deflectores Móviles y Hélices o Molinos de Viento. Se espera que este libro pueda proporcionar bases sólidas a los estudiantes de Ing eniería. Serán muy apreciados todos los comentarios, sugerencias ó críticas.
Ing. Jorge Luís Alejos Zelaya
4
MARCO TEÓRICO De acuerdo a la sumilla establecida en los currículos de estudios de la Escuelas Profesionales de Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Energía, de la Universidad Universidad Nacional del Callao, en la asignatura de Mecánica de Fluidos se estudia entre otros los tópicos siguientes: Dimensiones y Sistema de Unidades. Propiedades de los Fluidos. Mecánica de fluidos sin movimiento. Cinemática de los fluidos. Características cuantificables del movimiento. Dispositivos de medición y Control de flujo fluido y Análisis global del comportamiento dinámico de los fluidos. El estudio adecuado y compresible de los tópicos antes descritos se basan en Leyes, Principios y Teorías científicas, tales como: Principio de Homogeneidad Dimensional, Propiedades Extensivas e Intensivas del fluido, Medio continuo, Propiedades relacionadas con la temperatura y la energía, Gas Ideal, Ideal, Ley General de la Estática de los Fluidos. Variación de la presión, Ley de Pascal, Principio de Arquímedes, Estabilidad Rotacional de cuerpos flotantes, Ecuación de Euler y la variación variación de la Presión como sólido sólido rígido, Efecto Venturi y Dispositivos de medición de flujo volumétrico, Modelos matemáticos que describen la cinemática de los fluidos, Ecuación de Volumen de Control ó Teorema de Transporte de Reynolds, Principios de: Conservación de la Masa, Energía y Cantidad de Movimiento, Momento cinético de los fluidos. Muchos autores autores tales como WHITE FRANK. “Mecánica de Fluidos ”,1983. FOX ROBERT, “Introducción “Introducción a la Mecánica de Fluidos ”, 1995. Aplicada”,1996.
MOTT ROBERT. “Mecánica de Fluidos
SHAMES IRVIN. “Mecánica de Fluidos”, 2000. MUNSON YOUNG.
“Fundamentos de Mecánica de Fluidos”, Fluidos”, 1985. 1985. POTTER MERLE. “Mecánica de Fluidos”,1998. Fluidos”,1998. MATAIX CLAUDIO. “Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas”,1982 Hidráulicas” ,1982.. ROBERSON CROWE. CROWE. “Mecánica de Fluidos”,2007 Fluidos”,2007.. Fluidos”,1998. YUNUS CENGEL. “
GERHART, PHILIP. “Fundamentos de Mecánica de Mecánica de Fluidos”, 2007, han escrito textos con
exposición de de conceptos y definiciones generalmente extensas, y descuidan la aplicación correspondiente con escasa presentación presentación y solución de problemas con casos prácticos. prácticos. Las aplicaciones prácticas tienen su sustento sustento o fortalecimiento de de sus teorías en el estudio experimental, tales como: Medición Directa de caudal, Viscosidad cinemática, Contrastación y calibración de manómetros, Fuerzas hidrostáticas sobre superficies sumergidas, Estabilidad rotacional de cuerpos flotantes, Medición indirecta de flujo fluido. Ensayo elemental de Bomba centrífuga e Impacto de Chorro Hidráulico.
5
MATERIALES Y MÉTODOS
El
“TEXTO: APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA MECÁNICA DE FLUÍDOS
INCOMPRESIBLE”, INCOMPRESIBLE”, se ha desarrollado considerando la propuesta temática que muchos autores que se citan en la referencia han escrito con amplitud sobre sobre teorías. En la mayoría de los textos, los autores dan a entender que los otros libros sobre sobre el tema tienen ciertas ciertas deficiencias que que ellos corregirán y
descuidan en muchos casos las
aplicaciones correspondientes; es así que el material bibliográfico es amplio y variado, seleccionándose desde desde aquellos donde las aplicaciones que tratan ligeramente los temas teóricos
hasta aquellos que lo hacen con más profundidad profundidad y que se encuentran con
aplicaciones en la industria, con conceptos técnicos y de acorde al avance tecnológico act ual
Se han seleccionado y resueltos una diversidad de problemas propuestos por los autores citados en sus textos, con la aplicación práctica correspondiente. correspondiente.
La información y el procesamiento respectivo ha sido utilizando una PC - Microsoft Word for Windows 2007, para dar cumplimiento a las directivas vigentes. Así mismo se tuvo que realizar algunas investigaciones experimentales en las instalaciones del Laboratorio de Mecánica Mecánica de Fluidos y Máquinas Máquinas Térmicas de la la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Callao, lo hecho complementa el texto en en su desarrollo de sus problemas de aplicación.
El método empleado en la investigación, es el inductivo – deductivo, que permite presentar un texto ordenado, analítico y pedagógico en la solución de sus numerosos y diversificados problemas en su contenido contenido que se encuentran en muchos muchos de los campos de la Ingeniería. Así mismo el estudiante aprenderá a utilizar métodos y técnicas técnicas en el análisis análisis cuantitativo del comportamiento de los fluidos incompresible incompresible en un sentido global.
La metodología empleada fue: Identificación y compilación de la información. Análisis de la información. Formulación del índice del texto. Solución sistematizada y ordenada de los problemas. Redacción del texto en función complementación.
al
índice y Revisión del resultado
y
