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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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.

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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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.

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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CAPITULO 1: Introducción a la mecánica de los fluidos UC. Mecánica de los Fluidos. Prof. Mirna C. Silva L.

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.