Universidad de CaraboboFacultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica Departamento de Térmica y Energética
Prof.: Mirna C. Silva L.
Universidad de CaraboboFacultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica Departamento de Térmica y Energética
Mecánica de los Fluidos
Prof.: Mirna C. Silva J.
Mecánica de los Fluidos
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
La mecánica de los Fluidos es una rama de la Mecánica que estudia las leyes del comportamiento de los fluidos en equilibrio y en movimiento.
Figura 1.1: Mecanismo hidráulico.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Estática de fluidos
Cinemática de fluidos
Dinámica de fluidos
Mecánica de los FluidosClásica
Estudio de los fluidos en reposo.
Estudio de las velocidades y las líneas de corriente sin considerar fuerzas ni energías.
Estudio de las relaciones entre velocidades y aceleraciones, y las fuerzas ejercidas por o sobre fluidos en movimiento.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Hidrodinámica
Dinámica de gasesMecánica
de los Fluidos
Moderna
Estudio de fluidos prácticamente incompresibles que circulan a bajas velocidades.
HidráulicaEstudia el flujo de líquidos en tubos ycanales abiertos.
Estudia el flujo de fluidos que sufren cambios significativos en la densidad, como el flujo de gases a través de toberas a altas velocidades.
Se ocupa del flujo de gases (en especial del aire) sobre cuerpos como aviones, cohetes y automóviles a altas o bajas velocidades.
Aerodinámica
MeteorologíaOceanografía Hidrología
Estudia de flujos que ocurren de manera natural.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Sólido
Liquido
Gaseoso
Plasma
Estados de la
materia
El plasma se obtiene cuando la material alcanza altas temperaturas o muy bajas presiones.
MATERIA
Figura 1.2: Estados de la materia.
Figura 1.3: Plasma
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La diferencia entre un sólido y un fluido se hace con base a la capacidad de la sustancia para oponer resistencia a un esfuerzo cortante o fuerza tangencial aplicado que tiende a cambiar su forma.
Un sólido puede oponer resistencia a un esfuerzo cortante aplicado por medio de la deformación.
Un fluido se deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo cortante, sin importar cuan pequeño sea.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
En fluidos newtonianos el esfuerzo es proporcional a la razón de deformación o gradiente de velocidad , dichos fluidos nunca deja de deformarse y tiende a cierta razón de deformación (du/dy).
Figura 1.4: Fluido comprendido entre dos placas paralelas: a) elemento de fluido fatigado a una rata de variación δθ/δt; b) perfil de velocidades de un fluido a medida que se aleja de la placa fija. [9]
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Tipo de
fluido
Fluido Incompresible
ρ ≠ ctte Gases si
( ΔP ≥100 mbar)
ρ = ctte Líquidos
Donde: ρ = DensidadΔP = Diferencia de Presión
Figura 1.5: Fluido compresible; a) estado inicial; b) estado final.
a)
b)
Gases si ( ΔP ≥100 mbar)
Figura 1.6: Fluido incompresible.
F
ΔV ≈ 0
Fluido Compresible
F
F ΔV ≠ 0
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Un flujo de un fluido se clasifica como interno o externo, dependiendo si a ese fluido se le obliga a fluir en un canal confinado o sobre una superficie.
Flujo internoEjemplo: El flujo de aire frío por un ducto de ventilación.
Flujo externoEjemplo: El flujo de aire frío sobre el techo de un vehículo.
Figura 1.7: Flujo interno en la fuente de poder de una computadora.
Figura 1.8: Flujo externo sobre un vehículo.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Fluido Compresible
Tipo de
fluidoFluido Incompresible
ρ ≠ ctte Gases ( ΔP ≥100 mbar)
(Ma ≥ 0,3)
ρ = ctte Líquidos
Gases( ΔP < 100 mbar)
(Ma < 0,3)
Donde: ρ = DensidadΔP = Diferencia de Presión Ma = Numero de Mach
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
El número adimensional Número de Mach (Ma) permite clasificar cuantitativamente a los flujos como compresibles o incompresibles. Este número se define como:
SonidodelVelocidad
FluidodelVelocidadM a
Flujo Supersónico
Flujo Subsónico
Flujo Sónico
(Ma < 1)
(Ma = 1)
(Ma > 1)
Donde: Velocidad del sonido = 346 m/sFigura 1.9: Avión al alcanzar la velocidad del sonido.
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Flujo laminar
Flujo turbulento
Flujo cuyo movimiento de partículas es similar y en forma láminas. Característico en el flujo de fluidos viscosos.
Flujo cuyo movimiento de partículas es intensamente desordenado. Característico en el flujos a altas velocidades y bajas viscosidades.
Figura 1.10: Regímenes de flujo.
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Flujo estacionario
Flujo no estacionario
Durante el flujo estacionario, las propiedades del fluido permanecen constantes sin importar los cambios de posición y movimiento que sufra este dentro de la maquina de fluido estacionario.
Durante el flujo no estacionario, las propiedades del fluido varían como consecuencia de los cambios de posición y movimiento que sufra este dentro de la maquina de fluido no estacionario.
t t +Δt
Figura 1.11: Flujo estacionario.
Figura 1.12: Flujo no estacionario. Animación
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Se dice que un flujo es unidimensional, bidimensional o tridimensional si la velocidad del flujo varía en una, dos o tres dimensiones, respectivamente.
Flujo Tridimensional
Es como se presenta en la realidad, sus velocidades varían en los tres ejes coordenados, pueden representarse en coordenadas rectangulares V(x,y,z) o Cilíndricas V(r,θ,z)
Flujo Bidimensional
Es una forma de representar en el plano el flujo tridimensional, esto debido a que sus velocidades no poseen componentes normales al plano que se seleccione. Se pueden estudiar fácilmente en dos ejes coordenados V(r,z)
Figura 1.14: Flujo bidimensional.
Figura 1.13: Flujo tridimensional. Animación
Animación
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Sistema Internacional
(SI)
Sistema Ingles (USCS)
El sistema internacional SI (International System of Units), es un sistema sencillo y lógico basado en una relación decimal entre las diversas unidades, este se usado en trabajos científicos y de ingeniería en un gran numero de naciones industrializadas.
El sistema inglés, el cual también se conoce como United States Customary System, sistema de uso común en Estados Unidos.
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Múltiplo Prefijo Símbolo
1012 Tera T
109 Giga G
106 Mega M
103 Kilo k
102 Hecto h
10 Deca da
10-1 Deci d
10-2 Centi c
10-3 Mili m
10-6 Micro μ
10-9 Nano n
10-12 Pico p
10-15 Famto f
10-18 Atto a
Tabla 1.2: Prefijos estándar del SI.
Fuente: White, Frank [9].
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Unidades Primarias Sistema internacional
Sistema Ingles
Factor de conversión
Masa (M ) Kilogramos (Kg) Slug 1 Slug = 14,5939 Kg
Longitud (L) Metros (m) Pie (ft) 1 ft = 0,3048 mTiempo (t) Segundos (s) Segundos (s) -
Temperatura (T ) Kelvin (K ) Rankine (°R) 1 K = 1,8 °RCorriente Eléctrica (I ) Ampere (A) Ampere (A) -
Cantidad de luz Candela (cd ) Candela (cd ) -Cantidad de materia Mole (mol ) Mole (mol ) -
Las unidades primarias son aquellas que no derivan de otra, son únicas.
Tabla 1.1: Unidades primarias.
Fuente: White, Frank [9]; Cengel, Yunus [2].
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
Unidades Primarias
Sistema internacional
Sistema Ingles
Factor de conversión
Área (L2 ) m2 ft2 1 m2 = 10,764 ft2
Volumen (L3 ) m3 ft3 1 m3 = 35,315 ft3 Velocidad (LT -1 ) m/s ft/s 1 ft/s = 0,3048 m/s
Aceleración (Lt -2 ) m/s2 ft/s2 1 ft/s2 = 0,3048 m/s2 Presión o esfuerzo (ML-1 t -2 ) Pa = N/m2 lbf /ft2 1 lbf /ft2 = 47,88 Pa
Velocidad angular (t -1 ) (s -1 ) (s -1 ) -Energía o trabajo (ML-2 t -2 ) J = N.m ft.lbf 1 ft.lbf = 1,3558 J
Potencia (ML-2 t -3 ) W = J/s ft.lbf/s 1 ft.lbf /s = 1,3558 WDensidad (ML-3 ) Kg/m3 Slug/ft-3 1 Slug/ft-3 = 515,4 Kg/m3
Viscosidad (ML-1 t -1 ) Kg/(m.s) Slug/(ft.s) 1 Slug/(ft.s) = 47,88 Kg/(m.s)
Calor especifico (L2 t -2 T-1) m2/(s2 .K) ft2/(s2 .°R) 1 m2/(s2 .K) = 5,98 ft2/(s2 .°R)
Tabla 1.3: Unidades derivadas.
Fuente: White, Frank [9].
VideoResumen
Capitulo 1
Cengel Cimbala Solutions Chap01
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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.
1. BOLINAGA, Juan. MECÁNICA ELEMENTAL DE LOS FLUIDOS. UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO. 2002.
2. CENGEL, Yunus & CIMBALA, John. MECÁNICA DE FLUIDOS. FUNDAMENTOS Y APLICACIONES. Mc GRAW HILL. 2006.
3. FRANZINI, Joseph & FINNEMORE, E. MECÁNICA DE FLUIDOS CON APLICACIONES EN INGENIERÍA. Mc GRAW HILL. 9na EDICIÓN. 1999.
4. MATAIX, Claudio. MECÁNICA DE FLUIDOS Y MÁQUINAS HIDRÁULICAS. ALFAOMEGA. 2da EDICIÓN. 1982.
5. MOTT, Robert. MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA. PRENTICE HALL. 4ta EDICIÓN. 1996.
6. MUNSON, Bruce & otros. FUNDAMENTOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS. LIMUSA. 2002.
7. POTTER, Merle & WIGGERT, David. MECÁNICA DE FLUIDOS. THOMSON. 3era EDICIÓN. 2002.
8. STREETER, Víctor. MECÁNICA DE FLUIDOS. Mc GRAW HILL. 9na EDICIÓN. 2000.
9. WHITE, Frank. MECÁNICA DE FLUIDOS. Mc GRAW HILL. 5ta EDICIÓN. 2004.
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