Mesa De Flujo Bidimensional

Teoría general

Régimen de flujo

Fujo estacionario y flujo no estacionario

Flujo estacionario

Llamado también flujo permanente. Este tipo de flujo se caracteriza porque las velocidades en cualquier punto no cambian con el tiempo, en otras palabras, sus variaciones son tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo, es decir.

Flujo no estacionario

Llamado también flujo no permanente, las propiedades de un fluido y las características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo.

Flujo uniforme y flujo no uniforme

Flujo uniforme

Este tipo de flujo es poco común y ocurre cuando el vector velocidad en todos los puntos de la superficie es idéntico tanto en magnitud como en dirección para un instante dado, se expresa matemáticamente:

Donde el tiempo se mantiene constante y s es un desplazamiento en cualquier dirección.

Flujo no uniforme

Es el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad

Flujo compresible y flujo incompresible

Flujo incompresible

Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de flujo, es decir:

Lo anterior no exige que la densidad sea constante en todos los puntos. Si la densidad es constante, obviamente el flujo es incompresible,

Flujo compresible

Es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro no son despreciables.

Flujo laminar y flujo turbulento

Flujo turbulento

Figura 1: Flujos Turbulentos

En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra. En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden estar presentes desde muy pequeñas cantidades hasta cantidades inmensas de partículas como en los torbellinos.

En flujo turbulento se puede encontrar que en la turbulencia se desarrollan mayores esfuerzos cortantes, pérdidas de energía mecánica disminución de la velocidad del flujo. La ecuación para el flujo turbulento se puede escribir de una forma análoga a la ley de Newton de la viscosidad:

donde:

η : viscosidad aparente, es factor que depende del movimiento del fluido y de su densidad.

En situaciones reales, tanto la viscosidad como la turbulencia contribuyen al esfuerzo cortante:

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpiendo en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento.

Alta turbulencia en el flujo de entrada.

Calentamiento de la superficie por el fluido, si la superficie de contacto está muy caliente, transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.

Flujo laminar:

Fig2. Flujo laminar

Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de láminas o capas más o menos paralelas entre sí. La ley de Newton de la viscosidad es la que rige el flujo laminar:

Flujo irrotacional y flujo rotacional

Flujo rotacional

Es aquel en el cual el campo rot v adquiere en algunos de sus puntos valores distintos de cero, para cualquier instante.

Flujo irrotacional

Al contrario que el flujo rotacional, este tipo de flujo se caracteriza porque dentro de un campo de flujo el vector rot v es igual a cero para cualquier punto e instante. En el flujo irrotacional se exceptúa la presencia de singularidades vorticosas, las cuales son causadas por los efectos de viscosidad del fluido en movimiento.

Flujos unidimensional, flujo bidimensional y flujo tridimensional

Flujo unidimensional

Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la dirección principal del flujo. Dichos flujos se dan en tuberías largas y rectas o entre placas paralelas.

Flujo bidimensional

Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se comparan los planos entre sí, sin existir cambio alguno en dirección perpendicular a los planos.

Flujo tridimensional

El vector velocidad depende de tres coordenadas espaciales, es el caso más general en que las componentes de la velocidad en tres direcciones que son perpendiculares entre sí son función de las coordenadas espaciales x, y, z, y del tiempo t.

Flujo viscoso y flujo no viscoso

Flujo viscoso

Los fluidos reales siempre experimentan al moverse ciertos efectos debidos a fuerzas de rozamiento o fuerzas viscosas que actúan entre las capas de fluido.

Flujo no-viscoso

En un flujo no viscoso se supone que la viscosidad de fluido vale cero. Es evidentemente suponer que dichos flujos no pueden existir.

Re (Reynolds)>>1

Línea de corriente

Una línea de corriente es una curva imaginaria que es en todo punto tangente a la velocidad del fluido. En régimen estacionario las líneas de corriente están fijas y además nos indican las trayectorias seguidas por los elementos de fluido.

Fig3. Línea de corriente

Flujo potencial

La teoría de flujo potencial pretende describir el comportamiento cinemático de los fluidos basándose en el concepto matemático de función potencial

Fuera de la capa límite existe un flujo inviscido y la estela con número de Reynolds alto alrededor de cuerpos. Para una superficie aerodinámica la capa límite es bastante delgada y el flujo inviscido da una buena aproximación del flujo propiamente dicho; utilizándose para predecir la distribución de presión en la superficie, la cual da una buena estimación de la sustentación, siendo muy importante en el estudio de flujos externos. Si se considera un campo de velocidad dado por el gradiente de una función escalar ϕ:

Donde ϕ se lo llama función potencial de velocidad y tal campo de velocidad recibe el nombre de flujo potencial (flujo irrotacional) y posee la propiedad de que la vorticidad ω, la cal el rotacional del vector de velocidad, es cero.

Una partícula de fluido que no posee vorticidad no se obtiene sin la acción de la viscosidad, las fuerzas de presión normales y las fuerzas de cuerpo que actúan a través del centro de masa no pueden impartir rotación a una partícula de fluido.

Líneas de un fluido

Línea de traza

Es la línea en que están todas las partículas fluidas que en un cierto instante pasaron por un punto determinado. Su utilidad radica en que si despreciamos la difusión, ésta sería la línea visible que se produciría si en un punto inyectásemos lentamente un colorante en el fluido. Ésta línea solo coincide con las líneas de corriente y con las de senda, cuando éstas no varían con el tiempo, como sucede en los movimientos estacionarios.

Línea fluida

Es un conjunto de partículas fluidas que en un instante dado forman una línea.

Línea de Senda

Una senda es el camino seguido realmente por una partícula fluida

Número de Reynolds

En número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas de un fluido, la velocidad y la geometría del ducto por el que fluye. Teniendo como resultado la ecuación (1).

Para velocidades bajas inferiores a la crítica el flujo es laminar, caracterizándose por el deslizamiento de capas cilíndricas concéntricas una sobre otra de manera ordenada; a velocidades mayores a la crítica el régimen es turbulento, a pesar de esto siempre va existir una pequeña capa periférica o subcapa laminar.

Para estudios:

Si R<2000 el flujo se considera laminar.

Si 2000< R< 4000 zona crítica.

Si R>4000 el flujo se considera turbulento.

En la zona crítica el flujo puede ser tanto laminar como turbulento, esto depende de varios factores como cambios de sección, de dirección de flujo y de obstrucciones.

Conocimiento del equipo

Descripción del equipo

La sección de trabajo consiste de dos placas de vidrio. El borde frontal de la placa superior puede ser alzado mediante alzas, provistas y fijadas en esta posición cuando el equipo esté listo para ser operado, o los modelos instalados.

Diez sumideros y fuentes están colocados a lo largo de la línea central de la placa inferior en disposición cruciforme. El orificio central está formado por dos orificios yuxtapuestos.

Un sistema

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