PERFILES DE VELOCIDAD

RADIO HIDRAULICO PARA SECCIONES TRANSVERSALES NO CIRCULARES

Las secciones circulares no transversales pueden ser conductos cerrados completamente llenos o canales abiertos, uina de cuyas superficies está expuesta a la atmósfera local. Estos tipos son bastantes diferentes uno del otro.

En la figura se presentan secciones típicas no circulares cerradas. Las secciones mostradas podrían representar a) un intercambiador de casco y tubo, b) y c) ductos de distribución y d) trayectoria de flujo dentro de una máquina.

La dimensión característica de las secciones transversales no circulares se conoce como radio hidráulico, R, definido como el cociente del área neta de la sección transversal de una corriente de flojo entre el perímetro mojado, PM de la sección, esto es:

La unidad de R es el metro en el SI. En el Sistema Britanico de Unidades se expresa en pies.

En el calculo del radio hidráulico, el área neta de la sección transversal deberá calcularse a partir de la geometría de la sección. El perímetro mojado se define como la suma de la longitud de los limites de la sección que realmente están en contacto, es decir, mojados por el fluido. Expresiones para el área A y para el perímetro mojado, PM, se presentan en la figura anterior, para las secciones ilustradas. En cada caso, el fluido se desplaza por la parte sombreada de la sección. Se muestra una línea punteada adyacente a los limites que conforman el perímetro mojado.

NUMERO DE REYNOLDS PARA SECCIONES NO CIRCULARES

Cuando el fluido llena completamente el area de la sección transversal disponible y se encuentra bajo presión, la velocidad promedio del flujo se determina utilizando la rapidez de flujo de volumen y el area neta de flujo en la ya conocida ecuación de continuidad, esto es:

V=Q/A

Note que el area es la misma que se utilizo para calcular el radio hidráulico.

El numero de Reynolds para un flujo en secciones no circulares, se calcula de manera muy parecida a la usada para conductos y tubos circulares. La única alteración es la sustitución del Diametro, con 4R, cuatro veces el radio hidráulico.

El resultado es:

La validez de esta sustitución puede demostarrse calculando el radio hidráulico para un conducto circular:

Entonces D=4R, por consiguiente, 4R es equivalente a D para el conducto circular. Aso pues, por analogía, el uso de 4R como la dimensión característica para secciones transversales no circulares es apropiado.

PERDIDAS POR FRICCION

A medida que un fluido fluye por un conducto, tubo o algún otro dispositivo, ocurren pérdidas de energía debido a la fricción que hay entre el liquido y la pared de la tubería; tales energías traen como resultado una disminución de la presión entre dos puntos del sistema de flujo.

En estructuras largas, las pérdidas por fricción son muy importantes, por lo que ha sido objeto de investigaciones teórico experimentales para llegar a soluciones satisfactorias de fácil aplicación.

Para estudiar el problema de la resistencia al flujo resulta necesario volver a la clasificación inicial de los flujos laminar y turbulento.

Osborne Reynolds (1883) en base a sus experimentos fue el primero que propuso el criterio para distinguir ambos tipos de flujo mediante el número que lleva su nombre, el cual permite evaluar la preponderancia de las fuerzas viscosas sobre las de inercia.

En el caso de un conducto cilíndrico a presión, el número de Reynolds se define así:

Re= VD/D

Hay tipos de pérdidas que son muy pequeñas en comparación, y por consiguiente se hace referencia de ellas como pérdidas menores, las cuales ocurren cuando hay un cambio en la sección cruzada de la trayectoria de flujo o en la dirección de flujo, o cuando la trayectoria del flujo se encuentra obstruida como sucede en una válvula, codos, tees, reductores de diámetro, etc.

Las pérdidas menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad, sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Es común las pérdidas menores se expresan como:

Pérdida en una expansión súbita:

Un ensanchamiento súbito en la tubería provoca un incremento en la presión de P1 aP2 y un decrecimiento en la velocidad de V1 a V2

La separación y turbulencia ocurre cuando el flujo sale del tubo más pequeño y las condiciones normales del flujo no se restablecen hasta una cierta distancia aguas abajo. Una presión P0 actúa en la zona de remolinos y el trabajo experimental ha demostrado que P0 =P1. Aislando el cuerpo del fluido entre las secciones (1) y (2)

Pérdida en una contracción súbita:

El flujo a través de una contracción súbita usualmente involucra la formación de una vena contracta en el tubo pequeño, aguas abajo del cambio de sección. La pérdida total de energía en una contracción súbita se debe a dos pérdidas menores separadamente. Éstas son causadas por:

-La convergencia de las líneas de corriente del tubo aguas arriba a la sección de la vena contracta.

-La divergencia de las líneas de corriente de la sección de la vena contracta al tubo aguas abajo.

El proceso de convertir carga de presión en carga de velocidad es bastante eficaz, de ahí que la pérdida de carga de la sección (1) hasta la vena contracta (sección de mayor contracción en el chorro) sea pequeña comparada con la pérdida de la sección de la vena contracta hasta la sección (2), donde una carga de velocidad se vuelve a convertir en carga de presión. Por esto una estimación satisfactoria de la pérdida total hL , puede establecerse considerando únicamente la pérdida debida a la expansión de las líneas de corriente