FLUIDOS CONCEPTO CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES

Concepto de fluido

Normalmente la materia se presenta en los estados de agregación, líquido, gaseoso o sólido. La experiencia diaria nos permite distinguir que un sólido tiene una forma y un volumen definidos, mientras que un líquido mantiene su volumen pero adopta la forma del recipiente que lo contiene mostrando una superficie libre y, finalmente, un gas no tiene ni forma ni volumen propio. Podemos justificar este comportamiento basándonos en la estructura atómico-molecular de la materia: las fuerzas de atracción entre las moléculas de un sólido son tan grandes que éste tiende a mantener su forma, pero éste no es el caso de los fluidos (líquidos y gases), donde la fuerza de atracción entre las moléculas es más pequeña. Una distinción entre sólidos y fluidos queda establecida por su diferente respuesta frente a la acción de un esfuerzo: los sólidos se deformarán mientras persista un esfuerzo suficiente, ya que oponen una fuerza igual y de sentido contrario a la aplicada, y tienden a recuperar su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa el esfuerzo, sin embargo, los fluidos fluirán por pequeño que sea el esfuerzo, es decir, cambiarán continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado. En este punto es interesante citar que ciertos materiales (parafina, gelatina, alquitrán, etc.) no son fáciles de clasificar en uno de estos dos estados de la materia, ya que se comportan como sólidos si el esfuerzo aplicado es menor que un cierto valor crítico, mientras que su comportamiento recuerda a los fluidos cuando dicho valor crítico del esfuerzo es superado. A estos materiales se les denomina fluidos complejos y su estudio pertenece a una ciencia específica denominada Reología.

La Mecánica de los fluidos es la ciencia de la mecánica de los líquidos y de los gases, y está basada en los mismos principios fundamentales que la Mecánica de los sólidos. En esta ciencia se combinan los principios fundamentales con los datos experimentales, siendo utilizados éstos para confirmar la teoría o para dar información complementaria al análisis matemático. El resultado final es un cuerpo unificado de principios básicos de Mecánica de fluidos que se puede aplicar a la solución de problemas de flujo de fluidos de importancia en la Ingeniería. En los últimos años se ha desarrollado un campo nuevo: la Mecánica computacional de fluidos, con la que es posible resolver problemas más complicados.

Son innumerables los ejemplos que podemos citar en los que es necesario contar con un adecuado conocimiento de la Mecánica de fluidos: sistemas de suministro de aguas, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, desagües de desbordamiento de presas, válvulas, medidores de flujo, frenos y amortiguadores

hidráulicos, transmisiones automáticas, aviones, barcos, submarinos, rompeolas, embarcaderos, cohetes, lectores de discos de ordenador, molinos de viento, turbinas, bombas, sistemas de aire acondicionado y calefacción, cojinetes, artículos deportivos, etc. Puesto que los fenómenos considerados en la Mecánica de fluidos son macroscópicos, un fluido se considera como un medio continuo. Esto significa que se supone que cualquier elemento de volumen, por pequeño que sea, contiene un número muy elevado de moléculas. De acuerdo con ello, cuando hablemos de elementos de volumen infinitesimalmente pequeños, querremos decir que son muy pequeños comparados con el volumen del cuerpo, pero grandes comparados con las distancias entre las moléculas.

PROPIEDADES

PROPIEDADES DE UN FLUIDO

- Densidad: es la medida del grado de compactación de un material. Para un fluido homogéneo se define como la masa por unidad de volumen y depende de factores tales como su temperatura y la presión a la que está sometido. Sus unidades en el SI son: kg/m3 . Los líquidos son ligeramente compresibles y su densidad varía poco con la temperatura o la presión. Para una masa dada, la presión, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases: pV = mRT, donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta (grados Kelvin).

-Compresibilidad: En la mayoría de los casos, un líquido se podría considerar incompresible, pero cuando la presión cambia bruscamente, la compresibilidad se hace evidente e importante. Lo mismo ocurre si hay cambios importantes de temperatura. La compresibilidad se expresa mediante el módulo elástico de compresión.

- Viscosidad: es una medida de la resistencia del fluido al corte cuando el fluido está en movimiento. Se le puede ver como una constante de proporcionalidad entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad. Sus unidades en el SI son: kg s/ m 3

. La viscosidad de un líquido decrece con el aumento de temperatura, pero en los gases crece con el aumento de temperatura. Esta diferencia es debido a las fuerzas de cohesión entre moléculas. Esta propiedad también depende de la presión.

- Tensión superficial: Una molécula dentro del líquido es atraída en todas direcciones por otras moléculas mediante fuerzas cohesivas. Cuando un líquido está en contacto con algún otro medio (aire, otro líquido, un sólido) se forma una superficie de contacto entre el líquido y el otro medio. Dentro del líquido, y lejos de su superficie de contacto, una molécula se encuentra en equilibrio : la suma de las fuerzas de atracción es cero. Sin embargo, en la superficie de contacto, la suma de estas fuerzas tiene como resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y con sentido hacia el interior del líquido. Esta fuerza hacia el interior hace que la superficie de contacto se comporte como una membrana. Una de las consecuencias de la tensión superficial es la capilaridad.

CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS

 Características De Los FluidosCompresible:Esta propiedad de los fluidos les permite mediante un agenteexterno al cambio de su velocidad y volumen, esta características son muy usadaspara la industria como palancas de presión.

Distancia Molecular Grande:Esta es unas características de los fluidos la cualsus moléculas se encuentran separadas a una gran distancia en comparación conlos sólidos y esto le permite cambiar muy fácilmente su velocidad debido a fuerzasexternas y facilita su compresión.

Fuerza De Van Der Waals: Esta fuerza fue descubierta por el físico holandésJohannes van der Waals, el físico encontró la importancia de considerar elvolumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares y en la distribución decargas positivas y negativas en las moléculas estableciendo la relación entrepresión, volumen, y temperatura de los fluidos.

Toman Las Forma Del Recipiente Que Lo Contiene:Debido a su separaciónmolecular los fluidos no poseen una forma definida por tanto no se puede calcularsu volumen o densidad a simple vista, para esto se introduce el fluido en unrecipiente en el cual toma su forma y así podemos calcular su volumen ydensidad, esto facilita su estudio. 

CAPA LÍMITE Y LINEA DE CORRIENTE

 

Flujo Poiseuille

Ley de Poiseuille

Consideremos ahora un fluido viscoso que circula en régimen laminar por una tubería de radio interior R, y de longitud L, bajo la acción de una fuerza debida a la diferencia de presión existente en los extremos del tubo.

F=(p1-p2) r2

Sustituyendo F en la fórmula (1) y teniendo en cuenta que el área A de la capa es ahora el área lateral de un cilindro de longitud L y radio r.

El signo negativo se debe a que v disminuye al aumentar r.

Perfil de velocidades

Integrando esta ecuación, obtenemos el perfil de velocidades en función de la distancia radial, al eje del tubo. Se ha de tener en cuenta que la velocidad en las paredes del tubo r=R es nula.

que es la ecuación de una parábola.

El flujo tiene por tanto un perfil de velocidades parabólico, siendo la velocidad máxima en el centro del tubo.

Gasto

El volumen de fluido que atraviesa cualquier sección normal del tubo en la unidad de tiempo se denomina gasto.

El volumen de fluido que atraviesa el área del anillo comprendido entre r y r+dr en la unidad de tiempo es v(2 rdr). Donde v es la velocidad del fluido a una distancia r del eje del tubo y 2 rdres el área del anillo.

El gasto se hallará integrando

El gasto G es inversamente proporcional a la viscosidad  y varía en proporción directa a la cuarta potencia del radio del tubo R, y es directamente proporcional al gradiente de presión a lo largo del tubo, es decir al cociente (p1-p2)/L.

El gasto se puede expresar G=πR2<v>, donde <v> es la velocidad media del fluido

FLUJO LAMINAR, FLUJO TRANSITORIO FLUJO TURBULENTO

Número de ReynoldsEl número de Reynolds (Re) es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de

reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número recibe

su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883.

Contenido

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[editar]Definición y uso de Re

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en

una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho

número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo

pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds viene dado

por:

o equivalentemente por:

donde:

: densidad del fluido

: velocidad característica del fluido

: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema

: viscosidad dinámica del fluido

: viscosidad cinemática del fluido

Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso es la relación entre los

términos convectivos y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el

movimiento de los fluidos.

Por ejemplo, un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000 (típico en el movimiento de una

aeronave pequeña, salvo en zonas próximas a la capa límite) expresa que las fuerzas viscosasson

100.000 veces menores que las fuerzas convectivas, y por lo tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un

ejemplo del caso contrario sería un cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una cierta carga.

En este caso el número de Reynolds es mucho menor que 1 indicando que ahora las fuerzas

dominantes son las viscosas y por lo tanto las convectivas pueden despreciarse. Otro ejemplo: En el

análisis del movimiento de fluidos en el interior de conductos proporciona una indicación de la pérdida

de carga causada por efectos viscosos.

[editar]Re y el carácter del flujo

Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos.

En conductos o tuberías (en otros sistemas, varía el Reynolds límite):

Si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será

turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es

todavía hoy objeto de especulación.

Según otros autores:

Para valores de   el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si

estuviera formado por láminas delgadas, que interactúan sólo en función de los esfuerzos

tangenciales existentes. Por eso a este flujo se le llama flujo laminar. El colorante

introducido en el flujo se mueve siguiendo una delgada línea paralela a las paredes del

tubo.

Para valores de   la lìnea del colorante pierde estabilidad

formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo

delgada. Este régimen se denomina de transición.

Para valores de  , después de un pequeño tramo inicial con oscilaciones

variables, el colorante tiende a difundirse en todo el flujo. Este régimen es

llamado turbulento, es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario

y tridimensional.

Flujo sobre la capa límite

Para problemas en la ingeniería aeronautica el flujo sobre la capa límite es importante. Se ha

demostrado que entre un número de Reynolds de 2.000 a 4.000 se encuentra la etapa de transición

laminar-turbulento en el flujo de la capa límite, dónde se denomina:

Número de Reynolds local: Cuando la longitud característica (l) corresponde la distancia del

borde de ataque.

Número de Reynolds global: Cuando la longitud característica (l) corresponde a la cuerda del

perfil, u otra distancia que represente la aeronave (longitud del fuselaje, envergadura).

Para efectos practicos se considera:

 el flujo será laminar.1