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Historia de la Mecánica de Fluidos

Mecánica de fluidos

• La mecánica de fluidos es la disciplina que estudia el comportamiento de líquidos y gases en reposo (estática) o en movimiento (dinámica). (Young Donald).

Fluido

• Un fluido es una sustancia que se deforma de manera continua cuando sobre ella actúa una fuerzo cortante (fuerza por unidad de área) de cualquier magnitud.

Diferencia entre un sólido y un líquido

Caracterización de fluidos

Un fluido puede ser caracterizado de diferentes maneras:

• Espaciamiento molecular

• Actividad molecular

En un fluido el espaciamiento entre moléculas es mayor que en un sólido, como también es mayor el rango de movimiento de las moléculas de un gas. Se clasifican en líquidos y gases.

Propiedades de los fluidos

• Densidad

• Peso especifico

• Densidad relativa

• Volumen especifico y densidad relativa

• Viscosidad

• Tensión superficial: capilaridad

• Presión

• Gravedad especifica

Presión

Cantidad de fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de una sustancia.

• Los gases se comprimen con facilidad.

• Los liquidas se comprimen muy poco.

Unidad de medida kg*m/S2 =N

Actúa de forma uniforme en todas las direcciones de un volumen pequeño de un fluido. Actúa de manera perpendicular a la pared.

Masa (m)

Es la medida de la cantidad de fluido

M=F/a

PESO (W) La Fuerza con la que un fluido es atraído hacia la tierra por la acción de la gravedad.

W=m*g donde g=9.81 m/S2

g=32.2 pie/S2

Densidad

• La densidad es una de las propiedades más habituales y útiles en el estudio de los fluidos: relaciona la masa de una porción de fluido y el volumen que esta porción ocupa.

• Se expresa como:

• Sus unidades de medidas son:

Densidades de algunas substancias (kg/m3)

Peso especifico

V: volumen

W: peso

Viscosidad

Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad.

Se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia.

Unidad de medida de viscosidad

La viscosidad de un flujo puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como

En unidades en el SI:

Viscosidad dinámica

Se obtiene como cociente de la viscosidad dinámica (o absoluta) y la densidad.

La unidad en el SI es el

Una cosa importantes saber es que la viscosidad de los líquidos depende mucho de la temperatura. A mayor temperatura, el líquido es más fluido.

Es decir, la viscosidad disminuye. Dicho de otra manera, a medida que la calientas, la miel se hace más líquida.

Gravedad especifica

Es la razón de la densidad de una sustancia a la densidad del agua a 4C

Comprensibilidad

Medida en que varía el volumen especifico de una sustancia cuando la presión que cuando la presión actúa sobre el varia en una unidad.

Fluido de ley de potencia

Este modelo es bastante simple porque consiste únicamente de dos parámetros: uno de ellos es la viscosidad (m) y el otro la potencia (n); en términos de su nomenclatura. La simpleza de este modelo radica en que surge a partir de un simple a juste a una curva, y de ahí su nombre. Este modelo todavía guarda cierto parecido con el modelo de un fluido Newtoniano su ecuación constitutiva es la sig.:

En donde tau es el tensor de esfuerzos, eta es la viscosidad no newtoniana y gamma-punto es el tensor de rapidez de deformación o de rapidez de corte. Debe notarse que cuando n=1 el modelo del fluido de la ley de potencia se reduce al de un fluido newtoniano y eta se convierte en mu, la viscosidad dinámica newtoniana. Para el caso n menor que 1 el fluido se comporta como pseudoplastico o reo-adelgazante en los que la viscosidad disminuye con el esfuerzo del corte. En el caso en que n es mayo a 1 el fluido se comporta como dilatante o reo-espesante en los que la viscosidad aumenta con el esfuerzo de corte. Los parámetros m y n dependen de la temperatura. A continuación se dan algunos datos de fluidos de ley de potencia

El modelo de ley de potencia tiene gran importancia por sus aplicaciones en la industria debido a que su uso es común entre los ingenieros y porque existen una gran variedad de problemas analíticos resueltos para este modelo. Por otro lado, también es posible calcular de manera rápida, con cierto error, la viscosidad de un fluido a través del modelo de ley de potencia. Debe tenerse en cuenta los siguientes puntos al usarse este modelo,

• Este modelo no puede describir la viscosidad para valores pequeños de la rapidez de corte y en algunas situaciones puede introducir errores grandes,

• No hay manera de relacionar los parámetros m y n al peso molecular y a la concentración,

• No es posible construir una viscosidad y tiempos característicos a partir de m y n solamente.

Téngase en cuenta siempre que el modelo de ley de potencia es un modelo empírico basado en un ajuste a una curva de datos.

Reología de los fluidos

El flujo de fluidos o sistemas de fluidos, a través de conductos circulares y espacios anulares, es uno de los aspectos comúnmente encontrados en el campo de la ingeniería; especialmente en la perforación, terminación y reparación de pozos petroleros.

Por lo tanto, las características reológicas o de flujo de los fluidos deberán de ser bien definidas, a fin de diseñar adecuadamente los requerimientos de potencia necesaria para circularlos. Además, en el diseño de sistemas de fluidos y en el comportamiento de flujo a diferentes condiciones; así como el efecto de diversos contaminantes sobre los fluidos, es posible obtenerlos solamente a partir de un estudio reológico o de las variaciones en sus propiedades reológicas.

1.1 Reología

Es la ciencia de la deformación y flujo de los materiales. Es la rama de la física que trata sobre la mecánica de los cuerpos deformables.

La mayoría de la teoría sobre reología trata con casos idealizados, basados en ecuaciones diferenciales de primer orden y sobre el concepto de que las constantes en esas ecuaciones no varían con los cambios en las variables involucradas.

Sin embargo, existen numerosas excepciones de los conceptos ideales, las cuales han sido matemáticamente desarrolladas. Por tanto estos sistemas reológicos, llamados "anómalos", parecen ser aún más comunes que los sistemas ideales.

Además, aun cuando la teoría sobre reología, tanto cualitativa como cuantitativamente, trata con fenómenos reversibles, a menudo se encuentra la irreversibilidad.

1.2 Deformación

La deformación que sufren los materiales puede ser arbitrariamente dividida en dos tipos generales:

Deformación espontáneamente reversible llamada ELASTICIDAD.

Deformación irreversible denominada FLUJO.

Elasticidad

Esta deformación corresponde a una energía mecánicamente recuperable. Es decir, el trabajo empleado en deformar un cuerpo perfectamente elástico, es recuperado cuando el cuerpo es retornado a su forma original indeformada. Por lo que esta deformación elástica es considerada como una función del esfuerzo.

Flujo

La deformación llamada flujo corresponde a la conversión de la energía mecánica en calor. El trabajo empleado en mantener el flujo es disipado en una forma de calor y no es mecánicamente recuperable. En el flujo, la deformación es una función del corte.

Debido a la similitud que existe entre la resistencia viscosa al flujo y la fricción entre dos superficies sólidas, la resistencia al flujo de un fluido es, algunas veces, denominada "fricción interna".

En estas notas, el término "viscoso" será utilizado como un término genérico para describir el fenómeno de flujo y no se refiere a un coeficiente particular de viscosidad

En términos generales, las ecuaciones que describen los efectos viscosos y elásticos, en una forma combinada, son establecidos en base a tres términos principales: Un término elástico que incluye la deformación, uno viscoso que incluye el ritmo de la deformación y un tercer término de inercia, el cual incluye la aceleración.

Por lo tanto, desde el punto de vista de la reología, las propiedades mecánicas de todos los materiales pueden ser totalmente descritas en términos de las contribuciones elásticas, viscosas y de inercia.

1.3 Corte

El corte es un tipo de deformación muy importante. En donde el corte simple es un caso especial de una deformación laminar y puede ser considerado como un proceso, en el cual planos paralelos infinitamente delgados, se deslizan uno sobre otro;

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