Fluido.

Fluido

Es un conjunto de moléculas que se ordenan aleatoriamente juntas a partir de fuerzas cohesivas débiles y fuerzas que ejercen las paredes de un contenedor. Tanto liquido como gases son fluidos.

Hidráulica

Es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.

Viscosidad

Es una propiedad que tienen los gases y los líquidos, la cual podemos definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, esta resistencia es resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales.

Rugosidad

Es una característica propia de cada tubería; hay dos tipos de rugosidades:

Absoluta (K): Es la altura media de las asperezas interiores de la tubería.

Relativa (K/D): Es la relación entre la rugosidad absoluta y el diámetro de la tubería.

Las perdidas por rozamiento son función de la rugosidad del conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) y del caudal circulante, es decir de la velocidad (a más velocidad, mas perdidas).

Si es L la distancia entre los puntos 1 y 2 (medidos a lo largo de la conducción), entonces el coeficiente (perdidas (1,2)) / L representa la perdida de altura por unidad de longitud de la conducción se le llama pendiente de la línea de energía Denominémosla J.

Cuando el flujo es turbulento (numero de Reynolds superior a 4.000; 2000<Re<4000 es el flujo de transición; Re<2000 flujo laminar), lo que ocurre en la práctica totalidad de los casos, existen varias formulas, tanto teóricas (ecuación de Darcy-Weisbach), que relacionan la pendiente de la línea de energía con la velocidad de circulación del fluido.

Perdidas de carga

Son las pérdidas que genera la superficie en contacto con el fluido en la tubería (capa limite), rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar) o de las partículas de fluido entre sí (régimen turbulento). Tienen lugar en un flujo uniforme, por lo tanto en los tramos de tubería de sección constante.

Las pérdidas secundarias son las pérdidas de forma, que tienen lugar en las transiciones (angostamientos, ensanchamientos, etc.), codos, válvulas, elementos de medición y toda clase de accesorios y elementos adicionales de las tuberías.

Perdidas primarias

Supongamos una tubería horizontal de diámetro constante D por la que circula un fluido cualquiera, cuya velocidad media en la tubería es V.

La energía en un punto A será igual al de un punto B si están a la misma altura y en plano horizontal, o sea según la ecuación de Bernoulli modificar en la forma siguiente:

P_1/γ+ Z_1+(V_1^2)/2g-H_(1-2)=P_2/γ+ Z_2+(V_2^2)/2g

Ecuación de Bernoulli modificada

En el caso particular del ejemplo:

Z_1=Z_2 (Tuberia Horizontal)

V_1=V_2 (Seccion transversal constante)

Luego la pérdida de carga por roce será:

H_(1-2)=(P_1-P_2)/γ

Caso particular del ejemplo

Perdidas secundarias o menores

Se originan pérdidas secundarias en: un filtro, desagüe de un depósito, codo, un ensanchamiento brusco, un medidor de caudal entre otros.

Numero de Reynolds y tipos de flujo

El comportamiento de un fluido, particularmente con respecto a las pérdidas de energía, depende bastante si el flujo es “laminar” o “turbulento”, como se verá a continuación.

Por esta razón es que se hace indispensable tener medios para predecir el tipo de flujo, sin la necesidad de observarlo. Se puede mostrar experimentalmente y verificar analíticamente que el carácter del flujo en un conducto redondo depende de cuatro variables: Densidad ρ , Viscosidad Dinamica μ, diametro del ducto D y la velocidad promedio del flujo V.

N_r= VDρ/μ= VD/υ

N_r=m/s

x Kg/m^3 x ms/Kg

Numero de Reynolds

La equivalencia de las ecuaciones se debe a que: υ=μ⁄ρ

Los flujos que tienen un numero de Reynolds grande, típicamente debido a una alta velocidad, a una baja viscosidad del flujo o a ambas, tienden a ser turbulentos, en contraste los flujos con bajas velocidades y/o cuyo fluido posee una alta viscosidad, tendrá un numero de Reynolds pequeño y tenderán a ser flujos laminares.

El tipo de flujo, laminar o turbulento, depende del valor de la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, es decir del llamado numero de Reynolds Re:

Re= ρVD/μ= VD/(μ⁄ρ)= (4Q⁄(πD^2 ))D/v= 4Q/πDv

Donde: ρ es la densidad del fluido, V es la velocidad media, D es el diametro de la tuberia, μ es la viscosidad dinámica o absoluta del fluido, v es la viscosidad cinemática del fluido y Q es el caudal circulante por la tubería.

Flujo Laminar

En régimen laminar, los esfuerzos constantes se pueden calcular de forma analítica a partir de la ecuaciones de Navier-Stokes, y a partir de los esfuerzos cortantes es posible obtener la distribución de velocidad en cada sección. Las pérdidas de carga lineales hpl resultan verificar la llamada ecuación de Hagen-Poiseuille (ecuación 6) en honor a los dos investigadores que, en la misma época pero de forma independiente, establecieron el tipo de dependencia lineal entre la perdida de carga y el caudal dado por:

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