Flujo de Fluidos: Dinámica, Resistencia y Aplicaciones

Flujo Externo

Parte del flujo entra en contacto con la superficie sólida, pero el resto está tan alejado que no siente su influencia.

Capa Límite

(Teoría) Si un objeto se mueve dentro de un fluido de viscosidad baja, deberá sufrir poca resistencia al desplazamiento y consumir poca energía para avanzar.

(Práctica) No es cierto, se consume mucha energía para avanzar.

Concepto introducido por LUDWIG PRANDTL

Numerosos fluidos pueden ser estudiados dividiéndolos en 2 regiones:

1. Cerca de la frontera sólida (dentro de la capa límite)
2. Fuera de la capa límite

El concepto capa límite solo es válido para flujo subsónico Ma<0,3.

La resistencia al avance es debida al EFECTO VISCOSO. Los flujos supersónicos se ven muy influenciados por la compresibilidad del fluido.

Flujo Convergente

Las líneas de corriente se acercan (convergen). El flujo se ACELERA, pero es frenado en la capa límite. La longitud crítica crece.

Flujo Divergente

Las líneas de corriente se separan. El flujo DECELERA, a lo que se le añade el frenado de la capa límite. El espesor de la capa límite crece rápidamente y los esfuerzos cortantes disminuyen e incluso pueden llegar a anularse.

Resistencia al Avance

Resistencia al Avance = Resistencia Superficie + Resistencia Forma.

Resistencia Superficie

Para calcularla, se tiene en cuenta que cada punto de la superficie tiene un esfuerzo cortante distinto, por lo que se debe tomar un valor medio.

Resistencia Forma

Un cuerpo que se mueve lentamente, las presiones delante y detrás son prácticamente iguales, pero a medida que aumenta su velocidad, aumenta la diferencia de presión. Debido a que se produce desprendimiento de la capa límite, originando la RESISTENCIA DE FORMA.

Además de la resistencia al avance, en dirección perpendicular al flujo se originan las fuerzas de sustentación, especialmente importantes en los perfiles ala.

Flujo Interno

El flujo queda rodeado completamente por la superficie sólida.

Accesorios

Se determina la pérdida de carga en función de la energía cinética mediante un coeficiente de proporcionalidad K que se ha de obtener experimentalmente.

O en forma de longitud adicional que provoca la misma caída de presión que el accesorio considerar.

Componentes y Clasificación de las Redes de Distribución

Red de distribución: Conjunto de elementos que se utilizan en una instalación por la que ha de moverse un fluido que deberán tenerse en cuenta de forma conjunta en el momento de realizar los cálculos.

Red Simple

Se alimenta desde un solo punto.

Red Compleja

Varios puntos.

Línea Activa

Conjunto de elementos entre 2 puntos de una red en la que aumenta la energía del flujo.

Línea Pasiva

Disminuye la energía del flujo.

Nudos del Sistema

Puntos extremos de una línea. (INICIAL/FINAL)

Nudo de Caudal Definido

Consumo o aporte.

Nudo de Presión Definida

Nudo de Presión Definida.

Nudo de Paso

Ni consume ni aporta, solo confluyen caudales.

Clasificación de las Redes

Red Ramificada

Ventajas:

• Menos tubería
• Cálculo más sencillo
• Más económicas

Desventajas:

• Una rotura corta el suministro aguas abajo
• En los extremos se forman estancamientos

Red Mallada

Ventajas:

• Mejor reparto de presiones
• Mejor garantía de servicio
• Sin estancamientos

Desventajas:

• Precio
• Más tubería
• Trazado y cálculo complejo

Red Mixta

La base es una red mallada en la que existen puntos dentro y fuera de la misma que son alimentados mediante ramificaciones.

Flujo en Canales

Características y Perfiles de Velocidad en Canales

Canal: Cualquier conducción con una superficie libre líquida.

Canal Natural

Sección irregular con tendencia a formar paraboloides.

Canal Artificial

Formas geométricas regulares.

La máxima velocidad está por debajo de la superficie libre debido a los flujos secundarios (FENÓMENOS DE RE CIRCULACIÓN DE FLUJO).

Flujos en Canales Abiertos

Comportamiento con el tiempo: Estacionario/No estacionario

Propiedad del flujo: Uniforme/Variado (Rápida/Gradual)

Número de Froude:

• <1 Subcrítico, tranquilo o unidimensional
• =1 Flujo Crítico
• >1 Supercrítico o rápido

Movimiento de las partículas: Laminar, transición, turbulento

Re 500 < Transición < 2500

Ecuación de Chezy-Manning

El flujo en canal abierto siempre es turbulento, por tanto, la relación entre esfuerzo cortante y gradiente de velocidad es la Viscosidad aparente y es necesario resolver la pérdida de carga mediante la correlación experimental.

V = C root(RnSb) Ecuación de CHEZY 1769

Vmax =( Rh^2/3 root(s))/n CHEZY-MANNING Rh= R/2

La fórmula de Manning es una de las más utilizadas para establecer la correlación rugosidad-forma-pendiente del canal.

Sección Transversal Óptima de un Canal

El caudal aumenta cuando disminuye el perímetro mojado y por tanto el rozamiento Rhmax = A/Pm.

Depende de la geometría y el caudal.

Turbomáquinas

Dispositivos que modifican la energía total de la vena de fluido que los atraviesa. MOTRICES (absorben) GENERATRICES (ceden).

Generatrices

1) FLUJO COMPRESIBLE (Ventilador, soplador, turbo…)

2) FLUJO INCOMPRESIBLE

Bombas de Desplazamiento Positivo

• a) Bombas Recíprocas (pistón, diafragma)
• b) Bombas Giratorias
  • Rotor simple (Tornillo, tubo flexible, Paleta deslizante)
  • Rotor múltiple (Engranaje, Pistón circunferencial, Lobulo)

Bombas Rotodinámicas

• a) Bombas Hélice (Unicelulares/Multicelulares)
• b) Bombas Centrífuga (Aspiración simple/Aspiración doble)
  • RADIAL Y MIXTA

Motrices

-MÁQUINAS GRAVIMÉTRICAS (Ruedas hidráulicas)

Turbinas

• a) Reacción (Turbina Francis/Turbina Kaplan)
• b) Acción (Turbina Pelton)

-MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS (Tornillo, Engranaje, Émbolo, Paletas)

Pérdidas

1-HIDRÁULICAS: Pérdidas en el flujo por:

• Fricción (viscosidad del fluido/rugosidad)
• Desprendimiento y formación de capa límite
• Choque del flujo a la entrada del álabe

2-VÓLUMETRICAS: Pérdidas en la energía comunicada al flujo debido a:

• Parte del fluido retorna a la entrada del álabe (P.V internas)
• Parte del fluido se escapa (P.V Externas)

3-MECÁNICAS: Perdidas de energía debido a rozamiento de elementos propios.

* El fabricante determina y comunica las pérdidas con el gráfico ALTURA ÚTIL-CAUDAL, el incremento de energía que tendrá el fluido a su salida de la bomba.

Potencias

Accionamiento-aleje-efectiva-externa: (Pe) Potencia que debe comunicar el motor al eje de la bomba Pe = Mw

Interna: Potencia restante al tener en cuenta las perdidas mecánicas y vol.

Útil: Potencia que dispone el fluido en la salida.

Potencia restante al tener en cuenta todas las pérdidas.

* El fabricante determina experimentalmente y comunica mediante el gráfico Potencia al eje-Caudal, la potencia que deberá suministrar el motor que accione la bomba.

Rendimientos

* El fabricante… mediante el gráfico Rendimiento Global-Caudal, el RENDIMIENTO NETO de la bomba.