LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS I PRÁCTICA N°4 “RESISTENCIA AL AVANCE”

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL[pic 1][pic 2]

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS I

PRÁCTICA N°4

“RESISTENCIA AL AVANCE”

[pic 3]

PROF

ALUMNOS:  

GRUPO:

FECHA DE ELABORACIÓN:

                                        FECHA DE ENTREGA:

PRACTICA “RESISTENCIA AL AVANCE”

OBJETIVO

Medir utilizando los accesorios del túnel de viento las variables de las que depende CD (coeficiente de resistencia al avance).

CONSIDERACIONES TEORICAS

Cuando un cuerpo sólido se mueve en el seno de un fluido, se originan una serie de fuerzas sobre dicho cuerpo. El origen de esas fuerzas se debe a la viscosidad del fluido y a la resultante de las fuerzas debidas a las presiones normales a la superficie exterior del cuerpo sólido. Por el principio de acción y reacción, el cuerpo 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 experimental al moverse en el interior de un sólido (como una tubería).

 Fenómenos de la ingeniería sometidos a las mismas leyes:

a) Pérdidas de energía o pérdidas de carga en conducciones cerradas

b) Flujo en conducciones abiertas o canales

c) Arrastre de un avión o vehículo terrestre

d) Navegación submarina

SEMEJANZA APLICADA A MODELOS

Como un medio auxiliar el diseñador, frecuentemente se llevan a cabo estudios sobre modelos de estructuras hidráulicas y de máquinas. Estos estudios permiten visualizar el flujo y hacen posible obtener ciertos resultados numéricos y parámetros de diseño útiles, por ejemplo, en la calibración de vertedores y compuertas y en la determinación de tirantes hidráulicos, de distribuciones de velocidad y presión, de fuerzas sobre compuertas, de pérdidas y eficacias y gasto en bombas y turbinas.

Si se han de obtener resultados cuantitativos con suficiente aproximación de un estudio sobre modelos, entonces deberá existir semejanza dinámica entre el modelo y el prototipo. Esta semejanza requiere:

1. Que se tenga similitud geométrica exacta entre ambos sistemas.
2. Que la relación entre presiones dinámicas en puntos correspondientes sea una constante

El segundo requisito se puede expresar también como una similitud cinemática: las líneas de corriente deben ser geométricamente semejantes.

La similitud geométrica incluye la rugosidad superficial del modelo y del prototipo: si el modelo es la décima parte del prototipo en todas las dimensiones geométricas, entonces las alturas de las proyecciones de ambas rugosidades deberán guardar la misma relación. Para que las presiones dinámicas estén en la misma proporción en puntos correspondientes en el modelo y el prototipo, las relaciones de los diferentes tipos de fuerzas deberán ser las mismas en puntos correspondientes; por tanto, para que se tenga similitud dinámica estricta, los números de Mach, de Reynolds, de Froude y de Weber deberán tener el mismo valor en el modelo y el prototipo.

El cumplimiento estricto de los anteriores requisitos suelen ser imposibles de lograr, excepto cuando se tiene una relación de escalas 1:1. Afortunadamente, en la mayoría de los casos, solo dos fuerzas son del mismo orden de magnitud, necesitándose el mismo valor para uno solo de los parámetros mencionados.

Prueba en túneles de viento y de agua

Estos dispositivos se emplean para estudiar las líneas de corriente y las fuerzas inducidas por el flujo alrededor de los cuerpos totalmente sumergidos. El tipo de prueba que ha de realizarse y la disponibilidad del equipo adecuado para ella suelen determinar la clase de túnel que habrá de utilizarse. Debido a que la viscosidad cinemática del agua es del orden de la décima parte de la del aire, un túnel de agua se puede emplear para estudios sobre modelos con número de Reynolds relativamente altos.

Para altas velocidades de aire, los efectos de la compresibilidad, y por tanto el número de Mach, deberá tenerse en cuenta; en realidad, pueden ser la razón principal para llevar a cabo una investigación.[pic 4]

Flujo en tubos

Las fuerzas de inercia y las viscosas son las únicas de importancia en el flujo permanente a través de un tubo, cuando se tiene similitud geométrica, el mismo número de Reynolds para el modelo y para el prototipo asegura la similitud dinámica. Los coeficientes de presión correspondientes a ambas escalas son los mismos. En experimentos con fluidos de igual viscosidad en el modelo y en el prototipo, el producto VD debe ser el mismo, lo cual se traduce en velocidades muy altas para modelos pequeños.

Estructuras hidráulicas abiertas

Las estructuras hidráulicas como vertedores de excedencias, taques amortiguadores y transiciones en canales suelen estar sujetas a fuerzas de gravedad (provenientes de los cambios de nivel en la superficie del líquido) y fuerzas de inercia que resultan más grandes que las fuerzas cortantes viscosas o turbulentas. En estos casos, la similitud geométrica y el mismo valor en el número de Froude en el modelo y el prototipo dan como resultado suficiente aproximación a la similitud dinámica.

Resistencia de barcos

La resistencia que un barco encuentra a su movimiento cuando se desplaza sobre la superficie del agua está formada por el arrastre de posición, la fricción sobre su superficie y la resistencia debida  a las olas. Los estudios en modelos se complican por la existencia de tres tipos de fuerzas importantes: de inercia, viscosas y de gravedad. Los aspectos relacionados con la fricción sobre la superficie del barco requieren igual número de Reynolds en el modelo y en el prototipo. Por su parte, la resistencia debida al movimiento ondulatorio depende del número de Froude. Para cumplir ambos requisitos, el modelo y el prototipo deben ser del mismo tamaño.

...