Mecanica De Los Fluidos

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSIÓN MARACAY

Realizado por:

Deyxi Torres

C.I.: 18.182.381

Introducción

En mecánica de fluidos, la capa límite o capa fronteriza de un fluido es la capa del mismo que se ve perturbada por la presencia de un sólido al que contiene o con el que está en contacto. En la atmósfera terrestre, la capa límite planetaria es la capa de aire cercana al suelo y que se ve afectada por la convección debida al intercambio diurno de calor, humedad y momento con el suelo. En aerodinámica, la capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al cuerpo varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.

La capa límite puede ser laminar o turbulenta, o pueden coexistir en ella zonas de flujo laminar y de flujo turbulento.

En el caso de un sólido moviéndose en el interior de un fluido, una capa límite laminar proporciona menor resistencia al movimiento.

En ocasiones es de utilidad que la capa límite sea turbulenta. En aeronáutica aplicada a la aviación comercial se suele optar por perfiles alares que generan una capa límite turbulenta, ya que ésta permanece adherida al perfil a mayores ángulos de ataque que la capa límite laminar, evitando así que el perfil entre en pérdida, es decir, deje de generar sustentación de manera brusca por el desprendimiento de la capa límite.

Capa Límite

Si existe un fluido ideal con escurrimiento permanente y uniforme y flujo laminar e introducimos en su interior una placa fina paralela al flujo (Fig. 6.1) no se producirá alteración alguna y la velocidad sería la misma al ingreso y al egreso.

En la realidad no sucede eso por causa de la viscosidad. Donde el fluido contacta la placa a barlovento, V0 = 0, apareciendo esfuerzos tangenciales (Fig. 6.2) que provocan variedad de velocidad entre las capas.

A una distancia a sotavento, cuando desaparece la influencia de la placa, el diagrama de velocidad vuelve a ser rectangular.

Si se analiza una placa con borde biselado, para evitar fenómenos locales en el extremo, se puede constatar experimentalmente que aparecen tres zonas diferenciadas, la primera con flujo laminar, la segunda de transición y la tercera con flujo turbulento. Si se trazan los diagramas de velocidad en cada tramo y se denomina  a la altura, donde la velocidad en cada sección vuelve a ser constante, se obtiene una línea curva que se llama borde de la capa límite, siendo esta última el espacio comprendido entre la curva y la placa. (Fig. 6.3).

Fig.6.2. Fluido REAL [Ref 4]

Fig. 6.3 [Ref. 4]

En realidad, el límite de la capa en la zona turbulenta no es una línea suave, sino que varía entre ciertos límites (Fig. 6.4) que se puede fijar entre 0,4 y 1,2 .

La presión dentro de la capa límite puede ser considerada constante a lo largo de la placa e igual a la presión externa.

En Fig. 6.5 vemos la superposición de los diagramas de velocidad correspondientes a las capas laminar y turbulenta, donde el gradiente de velocidad es mayor en esta última.

Capa límite laminar

Las moléculas del fluido están en agitación permanente y penetran en las capas adyacentes.

Cerca de la placa, la velocidad es cero por efecto de la viscosidad que provoca la adherencia del fluido, efectos que se va perdiendo a medida que aumenta z.

La molécula que pasa por una capa más rápida a la más lenta suministra una determinada cantidad de movimiento, que es mayor que la que poseen las moléculas de esta última. Viceversa, la molécula que pasa de una capa lenta a otra más rápida, entrega una cantidad de movimiento que es menor que el que posee las moléculas de esta capa.

Consecuencia: La capa más veloz pierde cantidad de movimiento y la más lenta gana.

Aparece así una fuerza constante que origina la viscosidad molecular.

Las líneas de corriente tienen poca inclinación próxima a la horizontal y el flujo es laminar.

Podemos hallar la distancia x donde finaliza esta capa. Si se considera el N° de Reynolds.

Re = Datos : Re = 4.105 = 0,145 cm2/seg. V = 40 m/seg.

Capa límite de transición

En determinado momento (a partir de x) el flujo comienza a ser inestable y no comportarse como laminar. La velocidad no es constante en un mismo punto.

Capa límite turbulenta

En esta zona, ya no solamente hay intercambio de moléculas sino de partículas de fluido que se desplazan caóticamente, entre las cuales existen gradientes de velocidad importantes que provocan remolinos.

Esta capa se extiende indefinidamente y es la que más interesa en el análisis estructural. La velocidad es un valor medio sobre un intervalo corto y no instantánea.

Subcapa laminar (viscosa)

En la zona turbulenta, existe una capa de muy pequeño espesor (Fig. 6.5) ´ donde el elevado gradiente de velocidad impide la formación de remolinos al incrementarse V y no permitir el intercambio de partículas, por influencia de la viscosidad.

Partiendo de los datos de 4.1.1. el valor de ´ = 0,007 cm

Superficie rugosa

Llamamos ks a la altura de la rugosidad sobre la lámina.

Si ks < δ’ la superficie se considera lisa y la rugosidad está dentro de la subcapa viscosa (o laminar).

Si ks > δ’ el flujo actúa sobre la rugosidad y transforma las tensiones tangenciales en presiones normales. La superficie es aerodinámicamente rugosa.

Número de Reynolds rugoso: = velocidad de fricción (6.1)

Si Re < 120, no hay perturbación y ks < δ’. Si 120<Re<600 crece la

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