1 mf1- introduccion 2014_i_unasam

MECANICA DE FLUIDOS I

PRIMERA CLASEPRIMERA CLASE

INTRODUCCIONINTRODUCCION

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://www.pdffactory.com

CONTENIDO

1.0 MECANICA DE FLUIDOS - Definición1.1 APLICACIONES TECNOLOGICAS1.2 ALCANCES DE LA MF

2.0 TIPOS DE FLUJO 2.1 TIEMPO: impermanente/permanente2.2 ESPACIO: no uniforme/uniforme2.3 FLUJO UNIFORME

3.0 FLUIDO – Definición3.1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS: VISCOSIDAD3.2 TIPOS DE FLUIDOS: ideal/real

4.0 CONDUCTOSTIPOS: canal, tubería

5.0 PARAMETROS PARA EL ANALISIS DEL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS: parámetros cinéticos, dinámicos y geométricos

6.0 NUMEROS ADIMENSIONALES QUE CARACTERIZAL AL FLUJO6.1 NUMERO DE REYNOLDS6.2 NUMERO DE FROUDE

7.0 AMBITO DE LA MECANICA DE LOS FLUIDOS8.0 ESTUDIO DE LA MECANICA DE LOS FLUIDOS

INTRODUCCIONINTRODUCCIONMECANICA DE FLUIDOS II



MECANICA DE FLUIDOS

1.0 DEFINICION

“La Mecánica de los Fluidos es la ciencia de la mecánica de los líquidos y los gases, y está basada en los mismos principios de fundamentales utilizados en la Mecánica de Sólidos.

[1] “Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería”

JOSEPH B. FRANZINI – E. JOHN FINNEMORE

Mc Graw Hill

Sin embargo, la MF es una asignatura más complicada, porque en el caso de los sólidos se trata de elementos tangibles y separados, mientras que con los fluidos no hay elementos separados que se puedan distinguir”. [1]



1.1 APLICACIONES TECNOLOGICAS

Ø TRANSPORTE DE FLUIDOSØ GENERACION DE ENERGIA

Ø CONTROL AMBIENTAL Ø TRANSPORTE

C.H. MOYOPAMPA CAMPAMENTO PLUPETROL – CAMISEA 05/08/2004 CUMBEMAYO

PAITA

C.H. BARBA BLANCA

BAHIA DE PARACAS IQUITOS



1.2 ALCANCES DE LA MECANICA DE FLUIDOS

MECANICA DE FLUIDOSMECANICA DE FLUIDOS

ESTATICA DE FLUIDOS•Estática de fluidos•Flotación•Mov. De un fluido como sólido rígido

ESTATICA DE FLUIDOS•Estática de fluidos•Flotación•Mov. De un fluido como sólido rígido

DINAMICA DE FLUIDOSDINAMICA DE FLUIDOS

Método de Solución•Mecánica de Fluidos Analítica•M. de Fluidos Computacional•M. de Fluidos Experimental

Método de Solución•Mecánica de Fluidos Analítica•M. de Fluidos Computacional•M. de Fluidos Experimental

Características Físicas•Contínuo–Teoría cinética•Compresible-incompresible•Viscoso-No viscoso (potencial)•Teoría de la Capa Límite•Lubricación•Turbulencia

Características Físicas•Contínuo–Teoría cinética•Compresible-incompresible•Viscoso-No viscoso (potencial)•Teoría de la Capa Límite•Lubricación•Turbulencia

Aplicación en Ingeniería• Aerodinánica• Hidráulica• Hidrología• Meteorología

Aplicación en Ingeniería• Aerodinánica• Hidráulica• Hidrología• Meteorología



"NADA ES, TODO FLUYE", afirmó el filósofo griego Heráclito en el siglo V antes de nuestra era... y tenía razón. Si pudiéramos observar las rocas sólidas en el interior de la Tierra, el concreto y el acero de las construcciones o el vidrio de los vitrales de una catedral antigua, durante las escalas de tiempo apropiadas, es decir, durante intervalos de tiempo muy grandes, podríamos comprobar que efectivamente todo puede fluir. Entender de manera precisa qué significa y cómo se produce el fenómeno del flujo de la materia tiene gran importancia tanto desde el punto de vista científico fundamental como del práctico.

"NADA ES, TODO FLUYE"



2.02.0 TIPOS DE FLUJOTIPOS DE FLUJO

FLUJOFLUJOFLUJO

PERMANENTEPERMANENTEPERMANENTE IMPERMANENTEIMPERMANENTEIMPERMANENTE



FLUJO PERMANENTEFLUJO PERMANENTE



FLUJO (PERMANENTE) UNIFORMEFLUJO (PERMANENTE) UNIFORMEF.UF.U..



FLUJO (PERMANENTE) GRADUALMENTE VARIADOFLUJO (PERMANENTE) GRADUALMENTE VARIADOF.G.VF.G.V..



FLUJO (PERMANENTE) GRADUAL Y RAPIDAMENTE VARIADOF.G.V. y F.R.V.

L = ?L = ?L = ?L = ?

Transición

0 cS S≤

0 cS S>

1S



2.3 FLUJO UNIFORME2.3 FLUJO UNIFORME

En un flujo permanente y uniforme de En un flujo permanente y uniforme de equilibrio, las propiedades del fluido son equilibrio, las propiedades del fluido son independientes del independientes del tiempotiempo y la y la posiciposicióónn a lo a lo largo de la direccilargo de la direccióón del flujo:n del flujo:

0

0

Vt

yVs

∂=

∂

∂=

∂

donde V es la velocidad, t es el tiempo y donde V es la velocidad, t es el tiempo y s la coordenada en la direccis la coordenada en la direccióón del flujon del flujo

Un conducto (canal, tubería) prismático es aquel que presenta un alineamiento recto y una sección constante.

La sección se mantiene al igual que la velocidad, por tanto el caudal también se conserva, además de otros parámetros cinemáticos.

independiente del tiempo

independiente de la posición



qq ALCANCES DEL CURSOALCANCES DEL CURSO

FLUJOFLUJOFLUJO

PERMANENTEPERMANENTEPERMANENTE IMPERMANENTEIMPERMANENTEIMPERMANENTE

UNIFORMEUNIFORMEUNIFORME VARIADOVARIADO UNIFORMEUNIFORMEUNIFORME VARIADOVARIADO

GRADUALGRADUALGRADUAL RAPIDORAPIDO GRADUALGRADUALGRADUAL RAPIDORAPIDO

HH 224



3.03.0 FLUIDO: DEFINICIONFLUIDO: DEFINICION

Si n =1 el FLUIDO ES NEWTONIANO

ndVdy

τ µ

=

n Un fluido es una sustancia que se deforma contínuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante, sin importar qué tan pequeño sea ese esfuerzo cortante”. [1]

n [1] V. L. STREETERn [2} H. W. KING

n “Son sustancias capaces de fluir con partículas que se mueven y cambian su posición relativa con facilidad sin una separación de las masas. Los fluidosno ofrecen practicamente resistencia al cambio de forma. Se conforman verdaderamente a la forma del cuerpo sólido con el que entran en contacto”. [2]



EL FLUIDO COMO UN CONTINUO

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente al ser sometida a un esfuerzo cortante (esfuerzo tangencial), no importando cuan pequeño sea.

Todos los fluidos están compuestos de moléculas que se encuentran en movimiento constante. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería, nos interesa más conocer el efecto global o promedio (es decir, macroscópico) de las numerosas moléculas que forman el fluido. Son estos efectos macroscópicos los que realmente podemos percibir y medir. Por lo anterior, consideraremos que el fluido está idealmentecompuesto de una sustancia infinitamente divisible (es decir, como un continuo) y no nos preocuparemos por el comportamiento de las moléculas individuales.El concepto de un continuo es la base de la mecánica de fluidos clásica. La hipótesis de un continuo resulta válida para estudiar el comportamiento de los fluidos en condiciones normales. Sin embargo, dicha hipótesis deja de ser válida cuando la trayectoria media libre de las moléculas (aproximadamente 6.3 E-5 mm para aire en condiciones normales de presión y temperatura) resulta del mismo orden de magnitud que la longitud significativa más pequeña, característica del problema en cuestión. Una de las consecuencias de la hipótesis del continuo es que cada una de las propiedades de un fluido se supone que tenga un valor definido en cada punto del espacio. De esta manera, propiedades como la densidad, temperatura, velocidad, etc., pueden considerarse como funciones continuas de la posición y del tiempo.



3.23.2 TIPOS DE FLUIDOSTIPOS DE FLUIDOS

Para simplificar su descripciPara simplificar su descripcióón se considera el comportamiento de n se considera el comportamiento de un un fluido idealfluido ideal cuyas caractercuyas caracteríísticas son las siguientes:sticas son las siguientes:

ØØ IDEAL IDEAL óó NO VISCOSONO VISCOSO

ØØ REALREAL óó VISCOSOVISCOSO

FLUIDOS IDEALESFLUIDOS IDEALES

d.d.-- Flujo Flujo irrotacionalirrotacional:: No presentan torbellinos, es decir, no hay No presentan torbellinos, es decir, no hay momento angular del fluido respecto de cualquier momento angular del fluido respecto de cualquier punto.punto.

a.a.-- Fluido no viscoso:Fluido no viscoso: Se desprecia la fricciSe desprecia la friccióón interna entre las distintasn interna entre las distintaspartes del fluido.partes del fluido.

b.b.-- Flujo estacionario:Flujo estacionario: La velocidad del fluido en un punto es constanteLa velocidad del fluido en un punto es constantecon el tiempo.con el tiempo.

c.c.-- Fluido incompresible:Fluido incompresible: La densidad del fluido permanece constante La densidad del fluido permanece constante con el tiempo.con el tiempo.



FLUIDOS REALESFLUIDOS REALES

a.a.-- Fluido viscoso:Fluido viscoso: Se considera la fricciSe considera la friccióón interna entre las distintasn interna entre las distintaspartes del fluido.partes del fluido.

El movimiento de un fluido real es muy complejo.El movimiento de un fluido real es muy complejo.

d.d.-- Flujo rotacional:Flujo rotacional: Se presenta turbulencia.Se presenta turbulencia.

b.b.-- Flujo Flujo impermanenteimpermanente:: La velocidad del fluido en un punto varLa velocidad del fluido en un punto varííaacon el tiempo.con el tiempo.

c.c.-- Fluido compresible:Fluido compresible: La densidad del fluido varLa densidad del fluido varíía con el tiempo.a con el tiempo.



DISTRIBUCION DE VELOCIDAD EN UNA TUBERIA (FLUIDO REAL)

MOVIMIENTO DE UN FLUIDO VISCOSO EN UNA TUBERIA

DISTRIBUCION DE VELOCIDADES DE UN FLUIDO IDEAL EN UNA TUBERIA

0 ( , ) tanV x r V cons teµ = ⇒ = =X

r

V

V V

ndVdy

τ µ

=

EFECTOS DE LA VISCOSIDAD EN LA DISTRIBUCION DE VELOCIDADES



DIAGRAMA REOLOGICODIAGRAMA REOLOGICO

ESFUERZO CORTANTE

GR

AD

IEN

TE D

E V

ELO

CID

AD

ESFUERZO DE FLUENCIA

FLUID

O NEW

TONIA

NO

FLUID

O NO-N

EWTO

NIANO

PLASTICO IDEAL

SUSTANCIA TIXOTROPIC

A

ndVdy

τ µ

=

τ

dVdy



CONCRETO PREMEZCLADO BOMBEADOSAN JOSE DEL CALLAO - 2002



MECANICA DE FLUIDOS ...

4.0 CONDUCTOS - TIPOS

SUPERFICE LIBRE EN CONTACTO CON LA ATMOSFERA

CANAL TUBERIA

NO EXISTE SUPERFICE LIBRE EN CONTACTO CON LA ATMOSFERA



MECANICA DE FLUIDOS ...

TIPOS DE CONDUCTO: CANAL Y TUBERIA …

SUPERFICE LIBRE EN CONTACTO CON LA ATMOSFERA

CANAL TUBERIA

NO EXISTE SUPERFICE LIBRE EN CONTACTO CON LA ATMOSFERA

PP



CANAL 1 CANAL 1 -- Entrega al TEntrega al Túúnel Rnel Ríío o PallangaPallangaTuctocochaTuctococha –– MARCAPOMACOCHA IIIMARCAPOMACOCHA III

CONDUCTO CANAL



SIFON QUIULACOCHA SIFON QUIULACOCHA InstalaciInstalacióón Terminadan Terminada

SIFON QUIULACOCHA SIFON QUIULACOCHA -- AnclajeAnclaje

CONDUCTO TUBERIA



ACUADUCTO ASHUANACUADUCTO ASHUAN MARCAPOMACOCHA IIIMARCAPOMACOCHA IIIVista PanorVista Panoráámicamica CONDUCTO CANAL



CANAL 6 CANAL 6 -- Protegido con Tapas Protegido con Tapas prepre--fabricadasfabricadasMARCAPOMACOCHA IIIMARCAPOMACOCHA III

CONDUCTO CANAL



TUNEL QUIULACOCHATUNEL QUIULACOCHAArmadura de Armadura de FierroFierro Corrugado Corrugado para el Concreto Definitivopara el Concreto DefinitivoMARCAPOMACOCHA IIIMARCAPOMACOCHA III

CONDUCTO ABOVEDADO



Canal Secundario - CHAO

CONDUCTO CANAL ARTIFICIALPDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com


5.05.0 PARAMETROS DE ANALISIS PARAMETROS DE ANALISIS

DEL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOSDEL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS

1. ELEMENTOS CINETICOS

2. ELEMENTOS DINAMICOS

3. ELEMENTOS GEOMETRICOS

Los parámetros que se deben de considerar son:



EN EL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS SE DEBEN DE CONSIDERAR: ...

5.3 ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL

A = AREA DE LA SECCION (L2)

A

CANAL TUBERIA

A

P

T

P

P = PERIMETRO MOJADO (L) T = ANCHO SUPERFICIAL (L)

T= 0



EN EL MOVIMIENTO DE LOS FLUIDOS SE DEBEN DE CONSIDERAR: ...

3. ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL ...

RADIO HIDRAULICO (Rh)

• Caso de una tubería

• Caso de un canal muy ancho

TIRANTE HIDRAULICO (Dm)

FACTOR DE SECCION (Z)



6.16.1 NUMERO DE REYNOLDS (Re)NUMERO DE REYNOLDS (Re)

Re VLν

=

[ _ _ ]Re[ _ cos ]Fuerzas de Inercia

Fuerzas Vis as=

V : velocidad media [L/T]

L : longitud característica [L]

n : viscosidad cinemática [L2/T]

6.0 NUMEROS ADIMENSIONALES QUE CARACTERIZAN AL FLUJO



Nació: 23/Agosto/1842 en Belfast, IrlandaFalleció: 21/Febrero/1912 en Watchet, Somerset, Inglaterra

OSBORNE REYNOLDS

CIENTIFICO, INGENIERO Y PIONERO

Se graduó de matemático en Cambridge en 1867 y en 1868 fue el primer profesor de ingeniería en Manchester. Ejerció la docencia hasta su retiro en 1905. Ingresó a la Sociedad Real en 1877 y 11 años después se le otorgó la Medalla Real.Su primer trabajo fue en electricidad y magnetismo pero pronto se concentró en la hidráulica y la hidrodinámica. En 1883, en un artículo publicado en la PhilosophicalTransactions of the Royal Society, fué el primero en identificar las diferencias entre los flujos laminar y turbulento. Sus experimentos de visualización en tubos de vidrio determinaron las condiciones en las que ocurre la transición. Esto ahora se describe en términos de ¨Número de Reynolds crítico¨. En 1886 formuló una teoría de la lubricación y tres años después desarrolló el marco de referencia estándar en matemáticas que se usa en el estudio de la turbulencia. Es decir, sugirió descomponer el campo de velocidad turbulenta en dos valores: la velocidad promedio temporal y las fluctuaciones de esta velocidad; más tarde escribió las ecuaciones de movimiento para estas dos partes. Este procedimiento es aún el más usado y se le conoce como ¨promedio de Reynolds¨. En su honor se usa el Número de Reynolds para modelar flujos.

1904



FLUJO TURBULENTO

FLUJO LAMINAR

FLUJO CRITICO



MECANICA DEL FLUIDO CONTINUO

NO VISCOSO

(μ=0)

VISCOSO

(μ≠0)

LAMINAR TURBULENTO

COMPRESIBLE INCOMPRESIBLECOMPRESIBLE INCOMPRESIBLE

ESTUDIO DEL CURSO



6.26.2 NUMERO DE FROUDE (F)NUMERO DE FROUDE (F)

[ _ _ ][ _ ]

Fuerzas de InerciaFFuerzas Gravitacionales

=

VFgL

=

V : velocidad media [L/T]L : longitud característica [L]g : constante gravitatoria [L/T2]

NUMEROS ADIMENSIONALES QUE CARACTERIZAN AL FLUJO:



Nació: 1810 en Devon, InglaterraFalleció: 1879, Inglaterra

WILLIAM FROUDE

Ingeniero Civil.En 1871 construyó un tanque remolque en Chelston, Torquay, patrocinado por la British Admiralty. Fue asíque estudió la resistencia debida a la fricción y la formación de olas al remolcar modelos de barcos y tablones de más de 50 pies de largo con distintos acabados superficiales. Con estos resultados, en 1872 y 1874 determinó el primer grupo coherente de leyes de escalamiento. También desarrolló la ¨Ley de Comparación¨ (semejanza del número de Froude). Sus correlaciones para la resistencia por fricción aún se usan para interpretar los datos que se obtienen con modelos de barcos.En 1877, estudió los sistemas de olas que forman los barcos y sus interferencias e identificó las crestas y valles cartacterístiocs en la curva de arrastre de olas.En 1877 publicó el diseño de un freno hidráulico que aún se usa. Su hijo R.E. Froude continuó sus trabajos.



MODELO (m)

MODELO DE LA BOCATOMA “LA VIBORA” - RIO SANTA

PROTOTIPO (p)

FrFrmm = = FrFrpp



6.36.3 NUMERO DE VEDERNIKOVNUMERO DE VEDERNIKOV ((VV))

w

VV Vχγ

=−

V

Cuando la velocidad de flujo es muy alta o la pendiente del canal es muy pronunciada el flujo uniforme se hará inestable.

Si las olas son reducidas en el canal entonces el flujo es estable:

: exp _ _ _: _: _ _ _ _ _ _

: _ _ _ _ sec 1

w

onente del radio hidráulicoV velocidad m ediaV velocidad absoluta de disturbio en el canal

dPFactor form a de la ción RdA

χ

γ = −

V <1

Ven Te Chow – pág. 200

NUMEROS ADIMENSIONALES QUE CARACTERIZAN AL FLUJO:



7.07.0 AMBITO DE LA MECANICA DE FLUIDOSAMBITO DE LA MECANICA DE FLUIDOS

7.1 ESTATICA: estudio de la mecánica de fluidos en reposo.

7.3 DINAMICA: estudio de las relaciones entre velocidades y aceleraciones y las fuerzas ejercidas por o sobre fluidos en movimiento.

7.2 CINEMATICA: estudio de la velocidad y la líneas de corriente sin fuerzas ni energía.



8.08.0 ESTUDIO DE LA MECANICA DE FLUIDOSESTUDIO DE LA MECANICA DE FLUIDOS

HIDRODINAMICA CLASICA:HIDRODINAMICA CLASICA: estudia el fluido ideal imaginario (sin fricciestudia el fluido ideal imaginario (sin friccióón) y con n) y con fines de aplicacifines de aplicacióón prn prááctica se realizan los experimentos, los que dan origen a ctica se realizan los experimentos, los que dan origen a ffóórmulas emprmulas empííricasricas. Si el estudio se limita a los l. Si el estudio se limita a los lííquidos, en particular al agua, se quidos, en particular al agua, se denomina denomina HIDRAULICA.HIDRAULICA.

MECANICA DE FLUIDOS:MECANICA DE FLUIDOS: comprende el estudio de la comprende el estudio de la HidrodinHidrodináámica clmica cláásica y sica y de los fluidos reales tanto lde los fluidos reales tanto lííquidos como gasesquidos como gases. Este estudio estuvo promovido por . Este estudio estuvo promovido por la aeronla aeronááutica, la ingenierutica, la ingenieríía qua quíímica, la industria del petrmica, la industria del petróóleoleo..

MECANICA DE FLUIDOS MODERNA:MECANICA DE FLUIDOS MODERNA: combina los principios bcombina los principios báásicos de la sicos de la HidrodinHidrodináámica con losmica con los datos experimentales. datos experimentales. Esta Esta informaciinformacióón experimentaln experimental sirve sirve para verificar la teorpara verificar la teoríía o para proporcionar informacia o para proporcionar informacióón complementaria para el ann complementaria para el anáálisis lisis matemmatemáático. Astico. Asíí se construye un se construye un cuerpo unificado de principios que dan solucicuerpo unificado de principios que dan solucióón n al problema de flujo de fluidos con aplicacial problema de flujo de fluidos con aplicacióón en la ingeniern en la ingenieríía.a.

DINAMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD):DINAMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL (CFD): estudia la estudia la solucisolucióón n numnuméérica de las ecuaciones de la mecrica de las ecuaciones de la mecáánica de fluidosnica de fluidos. Este trabajo se facilita con . Este trabajo se facilita con el uso de la computadora y el desarrollo de software para mel uso de la computadora y el desarrollo de software para méétodos numtodos numééricos: ricos: diferencias finitas, elementos finitos, elementos de contorno, vdiferencias finitas, elementos finitos, elementos de contorno, vololúúmenes finitos.menes finitos.



UNA GOTITA MAS DE ...



MODELO FIDESARENADOR

A

Z (1)

(1) X CONEIC

VALORES DE LA CHA = simulado


1 mf1- introduccion 2014_i_unasam

Documents