Informe N° 7 “Fluidos Compresibles”

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Universidad Técnica Federico Santa María                                                                             Departamento de Ingeniería Química y Ambiental                                                                   Laboratorio de Mecánica de Fluidos IWQ-221

Informe N° 7

“Fluidos Compresibles”

Lunes 21 de Junio de 2010

INTRODUCCIÓN.

Todos los fluidos son compresibles, incluyendo los líquidos. Cuando estos cambios de volumen son demasiado grandes se opta por considerar el flujo como compresible (que muestran una variación significativa de la densidad como resultado de fluir), esto sucede cuando la velocidad del flujo es cercano a la velocidad del sonido. Estos cambios suelen suceder principalmente en los gases ya que para alcanzar estas velocidades de flujo el líquidos se precisa de presiones del orden de 1000 atmósferas, en cambio un gas sólo precisa una relación de presiones de 2:1 para alcanzar velocidades sónicas. La compresibilidad de un flujo es básicamente una medida en el cambio de la densidad. Los gases son en general muy compresibles, en cambio, la mayoría de los líquidos tienen una compresibilidad muy baja. Por ejemplo, una presión de 500 kPa provoca un cambio de densidad en el agua a temperatura ambiente de solamente 0.024%, en cambio esta misma presión aplicada al aire provoca un cambio de densidad de 250%. Por esto normalmente al estudio de los flujos compresibles se le conoce como dinámica de gases, siendo esta una nueva rama de la mecánica de fluidos, la cual describe estos flujos.

En un flujo usualmente hay cambios en la presión, asociados con cambios en la velocidad. En general, estos cambios de presión inducirán a cambios de densidad, los cuales influyen en el flujo, si estos cambios son importantes los cambios de temperatura presentados son apreciables. Aunque los cambios de densidad en un flujo pueden ser muy importantes hay una gran cantidad de situaciones de importancia práctica en los que estos cambios son despreciables.

El flujo de un fluido compresible se rige por la primera ley de la termodinámica en los balances de energía y con la segunda ley de la termodinámica, que relaciona la transferencia de calor y la irreversibilidad con la entropía. El flujo es afectado por efectos cinéticos y dinámicos, descritos por las leyes de Newton, en un marco de referencia inercial –aquel donde las leyes de Newton son aplicables-. Además, el flujo cumple con los requerimientos de conservación de masa. Es sabido que muchas propiedades, tales como la velocidad del fluido en un tubo, no son uniformes a lo largo de la corriente.

OBJETIVOS.

• Contrastar el cálculo teórico de un flujo compresible a través de una tubería con las mediciones experimentales de las presiones y temperaturas.

• Averiguar otros parámetros para determinar si un fluido es compresible.

INSTALACIÓN.

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 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Para un flujo dado, medir las presiones y temperaturas del sistema.

PREGUNTAS CONCEPTUALES

1. Defina qué es un fluido compresible, y qué criterio mencionaría Ud. para mencionarlo como tal.

Un fluido se puede definir como compresible cuando éste sufre cambios en su densidad debido a diferencias de presión y temperatura a medida que fluye. Si la diferencia en su densidad entre el punto de entrada y salida es mayor a un 10% podemos decir que estamos trabajando con un fluido compresible.

1. Defina con sus palabras el número de Mach, sus dimensiones, qué valores puede adquirir, y qué criterios define.

El número de Mach es un número adimensional que representa la velocidad de un fluido a alta velocidad respecto a la velocidad del sonido, no es un número constante ya que varía dependiendo de la  temperatura. Se puede determinar utilizando la siguiente relación:

Siendo V la velocidad del fluido y a la velocidad del sonido la cual se puede
determinar según:

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El número de Mach tiene lo siguientes criterios para los Fluidos:

Prácticamente incompresible: Ma < 0.3 en cualquier parte del flujo. Las variaciones de densidad debidas al cambio de presión pueden ser despreciadas. El gas es compresible pero la densidad puede ser considerada constante.

Flujo subsónico: Ma > 0.3 en alguna parte del flujo pero no excede 1 en ninguna parte. No hay ondas de choque en el flujo.

Flujo transónico: 0.8 ≤ Ma ≤ 1.2. Hay ondas de choque que conducen a un rápido incremento de la fricción y éstas separan regiones subsónicas de hipersónicas dentro del flujo. Debido a que normalmente no se pueden distinguir las partes viscosas y no viscosas este flujo es difícil de analizar.

Flujo supersónico: 1.2 < Ma ≤ 3. Normalmente hay ondas de choque pero ya no hay regiones subsónicas. El análisis de este flujo es menos complicado.

Flujo hipersónico: Ma > 3. Los flujos a velocidades muy grandes causan un calentamiento considerablemente grande en las capas cercanas a la frontera del flujo, causando disociación de moléculas y otros efectos químicos.

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