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José Agüera Soriano 2012 1
DEFINICIONES Y PROPIEDADES
MECÁNICA DE FLUIDOS PROPIEDADES Y DEFINICIONES
MECÁNICA DE FLUIDOS
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DEFINICIONES Y CONCEPTOS PRELIMINARES
• SISTEMA
• FLUJO
• PROPIEDADES DE UN FLUIDO
• VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
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Sistema
Cualquier porción de materia a estudiar. Un fluido será el
sistema elegido.
A la superficie, real o imaginaria, que lo envuelve se llama
límite, frontera o contorno.
El conjunto de varios sistemas puede formar uno solo; o
bien, un sistema puede descomponerse en muchos, incluso
infinitos, sistemas parciales.
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Medio exterior de un sistema
El conjunto de sistemas que influye sobre el sistema en
estudio será el medio exterior de éste. El medio ambiente
suele formar parte del medio exterior.
La influencia sobre el sistema puede ser térmica debida a
una diferencia de temperaturas, o mecánica debida a una
diferencia de presiones.
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Clasificación de sistemas
Sistema cerrado
Es aquel cuya masa no varía durante un cambio de situación;
por ejemplo, cuando el émbolo pasa de la posición I a la
posición II.
I II
F
Fm
h
p S
Sp
a
receptor
mecánico
·
·
sist
ema
(gas
)
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Sistema abierto, o flujo
Es aquel que fluye con relación a un contorno.
volumen de control
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FLUJO
Sección transversal
La que es perpendicular al eje de simetría del flujo.
Línea de flujo
v vv
v
v
vv v
La formada por la posición instantánea de una serie de
partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha
de estar en la dirección del vector velocidad de la anterior.
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Tubo de flujo
Una superficie (dS, por ejemplo) está rodeada por líneas de
flujo que formarán una superficie tubular (como una tripa).
Al fluido que circula en su interior se le llama tubo de flujo.
S
1
2
dS
v
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Caudal
Llamamos caudal (volumétrico) Q al volumen de fluido
que atraviesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal
másico a la masa correspondiente: m Qm
dSvdQ
S
dSvQ
S
1
2
dS
v
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dSvdQ
S
dSvQ
SVQ
V
perfil develocidades
Sv
vv
vv
En función de la velocidad media V
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Clasificaciones de flujo
'
t 2
V
D
tiempos
V
V
t 1
C
BA
• Permanente, o estacionario Las características medias no varían con el tiempo (AB y CD).
• Variable, o transitorio Varían con el tiempo (BC); por ejemplo, cuando maniobramos
una válvula.
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• Uniforme
La velocidad no varía en el trayecto (entre 1 y 2).
• No uniforme
Cuando sí varía (entre 2 y V).
Clasificaciones de flujo
21V
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• Laminar
Flujo ordenado
• Turbulento
Flujo desordenado
laminar turbulento
Clasificaciones de flujo
V V
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José Agüera Soriano 2012 14
Experimento de Reynolds
Ensayó en qué situación el régimen en una tubería circular
pasaba de laminar a turbulento, que es cuando dejaba de
visualizarse la línea teñida a su paso por A.
Más adelante veremos cuándo ocurre esto.
VA
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Osborne Reynolds
Belfast (1842-1912)
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PROPIEDADES DE UN FLUIDO
Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas
cuyo valor nos define el estado en que se encuentra.
Son propiedades la presión, la temperatura (común a todas
las sustancias), la densidad, la viscosidad, la elasticidad, la
tensión superficial, etc.
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fluido
a constante a varía
Definición de un fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente
(ángulo a) cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por
pequeño que sea.
Con un dF, la placa se movería a una velocidad du.
sólido
F
A
CB C'B'
D
a
placa fija
av
v B' B''
A
u
F
B'''B
u placa móvil
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Viscosidad
Viscosidad (m) de un fluido es la resistencia a que las distin-
tas láminas deslicen entre sí.
Ley de Newton de la viscosidad
La resistencia debida a la viscosidad depende, además, de la
variación de velocidad entre las capas: velocidad de defor-
mación (dv/dy). No es lo mismo intentar sacar una cuchara de
un tarro de miel despacio que rápido (mayor resistencia).
placa fija
av
v B' B''
A
u
F
B'''B
u placa móvil
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José Agüera Soriano 2012 19
dy
dv m (ley de Newton)
dv´> dv
lubricación
Esfuerzo cortante
A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece
entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es
dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante:
dv´= dv
placa móvil
placa fija
F
perfil de velocidades
v
placa fija
perfil de velocidades
'
v
dyv
v
dv
dv
dy
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Isaac Newton (Inglaterra 1643-1716)
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s/m N 2
dv
dym
s) kg/(m dv
dym
Unidades de viscosidad dinámica en el S.I.
o bien (1 N = 1 kg m/s2),
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Viscosidad cinemática, n
mn
Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y
la densidad:
En el S.I. de Unidades:
sm kg/m
s) kg/(m 2
3
m
mn
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José Agüera Soriano 2012 23
s
m
E
631 E73110
2
o
o8
n
SAE 10 20 30 40 50 60
oE 3 5 5 7 7 9 9 12 12 19 19 27
En grados Engler (oE):
En números SAE:
A la temperatura de 50 oC,
Ver diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire).
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Causas de la viscosidad
Cohesión molecular
Intercambio de cantidad de movimiento
La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los
gases al intercambio de cantidad de movimiento.
La cohesión y por tanto la viscosidad de un líquido
disminuye al aumentar la temperatura. Por el contrario, la
actividad molecular y en consecuencia la viscosidad de un
gas aumenta con ella.
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alta viscosidad
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Agua: baja viscosidad
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Aire: baja viscosidad
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José Agüera Soriano 2012 31
Líquidos:p
v
v
1 Gases:
dp
dv
v
1
Líquidos:p
v
v
1 Gases:
dp
dv
v
1p
v
2
1
líquido
v p p+v
v
p
Coeficiente de compresibilidad
COMPRESIBILIDAD
v
pvK
Módulo de elasticidad volumétrico K
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José Agüera Soriano 2012 32
• • Agua • ps bar ts ºC
Presión y temperatura de saturación
ts = t(ps)
0,01 7
1 100
2 120
20 212
40 250
60 276
80 295
100 311
150 342
200 366
220 374
En instalaciones hidráulicas hay situacio-
nes en las que la presión del agua puede
disminuir tanto, que llega a hervir.
En una olla a presión el agua hierve a
mayor temperatura; por eso la cocción es
más rápida.
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José Agüera Soriano 2012 33
La burbujas de vapor de agua, si se formaran, llegan a zonas
de mayor presión, y el vapor se condensa bruscamente. Que-
dan unas cavidades vacías que son rellenadas con ímpetu
por el agua que las envuelve (se han llegado a medir hasta el
millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo;
serían como picotazos que reciben las paredes, que serían
corroídas en muy poco tiempo.
Cavitación
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José Agüera Soriano 2012 34
burbuja de vapor
cavidad vacía
implosión
rodete
tubo de
aspiración
Por ejemplo, a la salida del
rodete de una turbina Francis
conviene que el agua salga con
bastante depresión; aunque sólo
hasta el límite de cavitación.
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corrosión por cavitación
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José Agüera Soriano 2012 36
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Erosión por cavitación
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José Agüera Soriano 2012 38
Cavitación en
bombas hélice
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José Agüera Soriano 2012 39
Sobre cada partícula (M), actúa un par de fuerzas originado
por las partículas 1 y 2. Si el par es pequeño respecto de la
viscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar.
De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efec-
to similar a la viscosidad en los gases: viscosidad aparente
y/o viscosidad de turbulencia (h), que lógicamente no es
una propiedad del fluido:
1
2
M2F1F
1v
2v
v
dy
dv )( hm
VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
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José Agüera Soriano 2012 40
DEFINICIONES Y PROPIEDADES
MECÁNICA DE FLUIDOS PROPIEDADES Y DEFINICIONES
MECÁNICA DE FLUIDOS