FLUJOS EXTERNOS

FLUJOS EXTERNOS

Este tema se enfoca en las fuerzas generadas cuando un cuerpo se mueve a través del fluido en el que se encuentra sumergido. Para este tema también se incluyen las clasificaciones de flujos laminares y turbulentos, al igual que la capa límite y la distribución de velocidad generada en la superficie del cuerpo debido a la condición de no deslizamiento. Para los flujos externos las fuerzas de arrastre y sustentación son de suma importancia, pues tiene aplicaciones para automóviles edificios buques y también en situaciones menos obvias, pero de igual importancia, como el transporte de partículas, los mecanismos de erosión y el diseño de impulsores de bombas.

1. Fuerzas de corte y presión

El arrastre y la sustentación son los componentes de fuerza paralela y normal, respectivamente, que se ejerce sobre un cuerpo por el fluido en movimiento, a la velocidad relativa de aproximación. Tanto los esfuerzos debido a la presión como los viscosos actúan sobre un cuerpo sumergido y uno o los dos contribuyen a las fuerzas resultantes. Cabe mencionar que, en el arrastre y la sustentación no se incluyen fuerzas como el boyamiento o la fuerza gravitacional del cuerpo.

Un ejemplo característico es un flujo alrededor de un ala. Aquí los esfuerzos cortantes se pueden visualizar como los que actúan a lo largo de la superficie. La velocidad del flujo sobre la parte superior del ala es mayor que la velocidad de corriente libre, por lo tanto, si se aplica la ecuación de Bernoulli, la presión en la parte superior será menor que la presión de corriente libre. Entonces, la velocidad de la parte inferior será menor que la velocidad de corriente libre y así su presión será menor que la parte inferior.

Así el gradiente de presión es el responsable de la fuerza de sustentación sobre el ala, mientras que la fuerza de rastreo es el resultado de las diferencias depresión es como de los esfuerzos cortantes.

Las magnitudes de fuerzas de arrastre y sustentación son obtenidas por el patrón de flujo alrededor del cuerpo sumergido y el desarrollo de la capa límite. No obstante, en la mayoría de cuerpos esto se obtiene con inexactitud; por ello es que se calculan con el coeficiente de arrastre y sustentación.

1. Arrastre

1. Capa límite laminar

Según una serie de cálculos se obtiene que:

Fuerza de arrastre de arrastre (FD)

[pic 1]

Donde:

•  es la fuerza de arrastre.[pic 2]
•  es el coeficiente de arrastre.[pic 3]
•  es la densidad del fluido.[pic 4]
•  es la velocidad.[pic 5]
•  es el área de la placa por unidad de ancho.[pic 6]

Coeficiente de arrastre (CD)

[pic 7]

Donde:

•  es el coeficiente de arrastre.[pic 8]
•  es el Número de Reynolds (500,000 y 1,000,000)[pic 9]

1. Capa límite turbulenta

Según una serie de cálculos se obtiene que:

Fuerza de arrastre de arrastre (FD)

[pic 10]

En términos de coeficiente de arrastre:

[pic 11]

Así se obtiene:

[pic 12]

Coeficiente de arrastre (CD)

Las ecuaciones anteriores son válidas únicamente en el rango de validez de la ecuación de Blasius. Para Rl más grandes en flujo por tuberías lisas, el exponente de la ley de distribución de velocidad se reduce. Por tanto, será válido para el siguiente rango

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