Leyes basicas para un sistema
- 1. Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño” Extensión Barinas Barinas, Edo, Barinas Ingeniería Industrial Bachiller: Prof. Blanca Salazar España M, María V. Para develar la resistencia de los fluidos en un sistema, es necesario tener presente que cuando un cuerpo sólido se mueve en el seno de un fluido, se originan una serie de fuerzas sobre dicho cuerpo, ya que el origen de esas fuerzas es debido a la viscosidad del fluido y a la resultante de las fuerzas correspondidas a las presiones normales y la superficie exterior del cuerpo sólido. Por ello, el principio de acción y reacción, ejerce sobre el fluido una fuerza igual y de sentido contrario a la que el fluido ejerce sobre el sólido. Es decir, el fenómeno de resistencia que un sólido experimenta al moverse en un fluido es, fundamentalmente, igual al de la resistencia que un fluido experimenta al moverse en el interior de un sólido, ejemplo: una tubería. En base a la resistencia de los fluidos, es importante conocer el comportamiento del flujo según el análisis microscópico en el cual se encuentra el flujo laminar y flujo turbulento; partiendo de los siguientes conceptos: FLUJO LAMINAR: Régimen Laminar o de Poiseuille: el flujo tiene un movimiento ordenado, en el que las partículas del fluido se mueven en líneas paralelas (en capas), sin que se produzca mezcla de materia entre las distintas capas. FLUJO TURBULENTO: Régimen Turbulento o de Venturi, el flujo tiene un movimiento caótico, desordenado con mezcla intensiva entre las distintas capas. Todo esto es debido a que la velocidad en cada punto no es constante. Dicha velocidad presenta una fluctuación en el tiempo, produciendo una alta disipación de energía.
- 2. Dependiendo del tipo de flujo, laminar o turbulento, las fuerzas de rozamiento que aparecen serán de distintos tipos. En el caso de régimen laminar, las fuerzas que se ejercen entre las distintas capas del fluido son tangentes a la dirección del movimiento. Por el contrario, cuando se está en régimen turbulento aparece una segunda contribución a la fuerza de rozamiento debida a la mezcla entre las distintas capas. El esfuerzo cortante que existe en un flujo turbulento se expresa: ₸ =𝑛 𝑟. 𝑑ṽ 𝑑 𝑦 𝑛 𝑟 → Viscosidad de remolino ṽ → Velocidad media en el tiempo Seguidamente el Número de Reynolds, es la herramienta utilizada para determinar o predecir el tipo de flujo. La expresión del número de Reynolds adopta diferentes formas para conductos circulares o no circulares, canales abiertos o flujo alrededor de cuerpos inmersos. Se establece una ecuación para cada conducto: Re= 𝑝.𝑉.𝐿 µ Re= 𝑝.𝑉.4 𝑅ℎ µ Re= 𝑝.𝑉∞ .𝑋 µ Números críticos de Reynolds: Para flujo en conductos, el número de Reynolds adopta la primera de las expresiones anteriores. Normalmente se trabaja con los siguientes rangos: Si Re ≤ 2000 Flujo LAMINAR Si Re ≥ 4000 Flujo TURBULENTO Si 2000 < Re < 4000 Región CRÍTICA (no es posible predecir el régimen del flujo).
- 3. Número crítico inferior de Reynolds: Valor del Reynolds por debajo del cual el régimen es necesariamente laminar. Cualquier perturbación es amortiguada por la viscosidad. Se denomina velocidad característica a la velocidad por debajo de la cual toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del flujo. Para fluidos de pequeña viscosidad, o en general, para valores grandes del número de Reynolds, el movimiento del fluido suele estudiarse por separado en dos zonas - Zona de espesor pequeño (capa límite): en la que el efecto de las fuerzas viscosas es tan importante como el de las otras fuerzas. - Zona de fluido libre: donde la influencia de la viscosidad es despreciable. Continuando el orden que describe la resistencia en fluidos es importante identificar el principio de la Paradoja de D’ALEMBERT, este establece el hecho de que el agua y el aire, a pesar de ser muy poco viscosos, ofrecen a un cilindro en movimiento una gran resistencia al avance. La explicación de esta paradoja llevó a la definición de dos conceptos primordiales en la mecánica de fluidos: La existencia de la Capa Límite. El Desprendimiento de Capa Límite. Y se resume en los siguientes puntos. En cualquier fluido, por muy poco viscoso que sea: a) Aunque la viscosidad es pequeña, la variación de velocidad es muy elevada en un espacio muy reducido, y por lo tanto el esfuerzo cortante es muy elevado. Esta resistencia se conoce como Resistencia de Superficie. b) El cilindro, aerodinámicamente hablando, tiene una forma muy roma, y las líneas de corriente tienden a separarse de la superficie (Desprendimiento de Capa Límite), creando en la parte posterior remolinos que dan lugar a depresiones. Esto genera una resistencia al avance, conocida como Resistencia de Forma. Otro aspecto importante dentro del análisis de este estudio es la Teoría de Capa Límite: Resistencia de Superficie, ideada al comienzo del pasado siglo por Prandtl revolucionó la aeronáutica y toda la Mecánica de Fluidos, hasta el punto de que se considera a Prandtl como el fundador de la Mecánica de Fluidos moderna. Esta teoría tiene una especial aplicación en fluidos poco viscosos, como el aire y el agua, y por tanto es una teoría fundamental en la aeronáutica y en la ingeniería naval. Si se analiza de forma “microscópica” la velocidad, se puede obtener una de las siguientes distribuciones de velocidad en un espesor muy pequeño denominado: capa límite.
- 4. En resumen esta teoría determina que en un cuerpo sólido sumergido en una corriente fluida, por ejemplo, el ala de un avión en una corriente de aire, se puede estudiar la distribución de velocidades a lo largo de una normal a la superficie en un punto. Si se utiliza un instrumento de medida de velocidad cerca de ese punto, se obtendrá un valor de velocidad a nivel “macroscópico”. Sin embargo, se sabe que a causa de la viscosidad, la velocidad en cualquier punto de la superficie del sólido es 0. INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS El flujo en las proximidades del contorno se va continuamente decelerando a causa de la velocidad, hasta que en el punto A, la velocidad es cero. La forma del contorno exigiría aún una disminución mayor de la velocidad, porque allí el contorno diverge; pero como esto es imposible, el flujo se separa del contorno al mismo tiempo que se produce un contraflujo producido por el gradiente de presiones adverso; Si el sólido se mueve, la fuerza se opondrá al movimiento, será una resistencia, que se denomina resistencia de forma, por depender de la forma del cuerpo. 𝒇 𝒂= 𝑪 𝒘 𝝆𝑽 𝟎 𝟐 𝑨 𝑭𝒓𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍 𝟐 Resistencia de Forma: Cuerpos romos y Contornos bien fuselados Un contorno bien fuselado evita en el fluido real el fenómenode desprendimiento,y por tanto el fenómenoderesistenciadeforma,limitándoselaresistenciaalaresistenciadesuperficiedebida al efecto de la capa límite; En un contorno angular, la velocidad en el punto A se tendría que hacer teóricamente infinita si el flujo permaneciese adherido al contorno, pero este efecto es físicamente imposible, por lo que se produce e desprendimiento de la corriente INGENIERÍA DE FLUIDOS Y EQUIPOS TÉRMICOS Placa plana colocada transversalmente a la corriente. Las líneas de corriente del fluido real aguas abajo no pueden seguir al contorno, por lo que la capa límite se desprende. Esto origina una resistencia de forma enorme.