La sustancia que puede cambiar su forma bajo una fuerza externa se define como fluido . Cada vez que se aplica una fuerza externa a un fluido, comienza a fluir. El estudio de los fluidos en movimiento se define como dinámica de fluidos . ¿Alguna vez has notado un arroyo que fluye debajo del puente? Cuando ves una línea de corriente, ¿qué es lo primero que te viene a la mente? Las cualidades más típicas de la corriente, como la velocidad, el ancho y el volumen de agua que fluye, son la respuesta. El flujo de cualquier fluido es una de las propiedades más importantes. La ubicación o fuente de un arroyo es un factor importante que determina el flujo de agua dentro de él. El sitio de origen de la corriente tiene el potencial de alterar tanto la velocidad como la dirección del flujo dentro de la corriente.
Otro aspecto clave que influye en el flujo de la corriente es la presencia física de un objeto en la corriente. El objeto en la corriente determina la dirección y la velocidad del agua que fluye. La velocidad del flujo de la corriente de un líquido es su característica más importante. Como resultado de las cualidades anteriores, el agua puede clasificarse como flujo laminar o aerodinámico o flujo turbulento.
El fluido puede fluir en varios tipos; se puede entender con el ejemplo del agua del grifo. El agua que sale de un grifo tiene una apariencia suave mientras el caudal es bajo, pero aparecen vacíos e interrupciones en un punto determinado cuando se aumenta el caudal.
Si se añade un chorro de tinta cuando el flujo es constante, la tinta fluye sin mezclarse con las demás capas, pero si se introduce cuando el flujo es turbulento, la capa de tinta se mezcla con las demás capas de agua, como se ve en la imagen. abajo. El primer tipo, denominado flujo aerodinámico o laminar , se analizará en esta sección. Y el otro es el flujo turbulento del que hablaremos más adelante.
flujo aerodinámico
El flujo aerodinámico en fluidos se describe como un flujo en el que los fluidos fluyen en capas paralelas sin interrupción o mezcla de las capas y la velocidad de cada partícula de fluido que pasa permanece constante a lo largo del tiempo en una posición particular.
No hay variaciones de velocidad turbulenta a bajas velocidades de fluido, y el fluido tiende a fluir sin mezcla lateral. Las partículas de fluido se mueven en un orden específico con respecto a las partículas que viajan en línea recta paralela a la pared de la tubería, de modo que las capas contiguas se deslizan entre sí como naipes.
Línea de corriente
La trayectoria recorrida por partículas de fluido en circunstancias de flujo constante se define como una línea de corriente. La tangente en cualquier punto de la curva revela la dirección de la velocidad del fluido en ese momento si las líneas de flujo se representan como curvas. Las curvas, como se muestra en la figura siguiente, indican cómo se mueven las partículas de fluido en relación con el tiempo.
La curva representa el flujo de las partículas de fluido en un estado estacionario. Este mapa es estacionario en el tiempo, lo que significa que cada partícula que pasa por un punto se comporta precisamente como la partícula que vino antes.
Representación del flujo Streamline
En un flujo laminar, las líneas de corriente siguen la ecuación de continuidad. es decir ,
Av = constante,
donde A es el área de la sección transversal del flujo de fluido y v es la velocidad del fluido en esa ubicación.
El término Av se define como el flujo de volumen o tasa de flujo del fluido , que es constante en un flujo constante.
Consideremos que el área de la sección transversal en el punto 1 es A 1 y en el punto 2 es A 2 ,
Entonces por la ecuación de continuidad:
A 1 contra 1 = A 2 contra 2
Esto representa la relación inversa entre el área y la velocidad. La velocidad del líquido disminuye a medida que aumenta el área de la sección transversal, y viceversa.
Además, el flujo del agua también se puede determinar mediante la cantidad denominada número de Reynolds que determina si un patrón de flujo es laminar o turbulento, que se analiza a continuación:
Número de Reynolds
El número de Reynolds es una cantidad adimensional que determina si un patrón de flujo es laminar o turbulento cuando pasa por una tubería. La relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas determina el número de Reynolds.
La fórmula para el número de Reynolds se da como:
R mi = ( p × V × D) / tu
dónde:
- R e es el número de Reynolds,
- p es la densidad del fluido,
- V es la velocidad del flujo,
- D es el diámetro de la tubería y
- u es la viscosidad del fluido.
Los siguientes son los puntos importantes para el flujo de fluidos y el número de Reynolds:
- Se dice que el flujo a través de la tubería es turbulento si el número de Reynolds calculado es alto.
- Se dice que el flujo es laminar si el número de Reynolds es bajo.
- Estos son valores numéricos aceptables, mientras que los flujos laminares y turbulentos a menudo se agrupan dentro de un rango.
- El flujo laminar tiene un número de Reynolds inferior a 2000, mientras que el flujo turbulento tiene un número de Reynolds superior a 2000.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿En qué teorema se basa la ecuación de continuidad?
Solución:
Se supone que el flujo del fluido es incompresible, laminar y no viscoso para usar la ecuación de continuidad. La ecuación de continuidad se basa en la conservación de la masa. El producto del área y la velocidad da el caudal volumétrico del fluido. Dado que la densidad del fluido es la misma en todos los puntos, la masa del fluido que pasa por dos regiones diferentes es la misma al mismo tiempo.
Problema 2: Un tubo que tiene una sección transversal uniforme se mantiene vertical de tal manera que el agua entra por la parte superior y sale por la parte inferior. Si la velocidad en un punto A debajo de la abertura es ‘v’, ¿cuál será la velocidad en un punto B verticalmente debajo de A tal que la distancia entre A y B sea ‘2h’?
Solución:
De acuerdo con la ecuación de continuidad, la velocidad en B será la misma que en A, ya que el área de la sección transversal es la misma en ambos puntos. Aunque, la gravedad aumentará su velocidad, pero la presión también disminuirá hacia abajo y, por lo tanto, el efecto neto será cero cambio en la velocidad.
Problema 3: Una tubería horizontal transporta agua en un flujo aerodinámico. En un punto a lo largo de la tubería, donde el área de la sección transversal es de 25 cm^2, la velocidad del agua es de 0,5 m/s. Encuentre la velocidad del agua en un punto donde el área de la sección transversal es de 2 cm^2.
Solución:
Dado:
Área en el punto 1, A 1 = 25 cm 2
Área en el punto 2, A 2 = 2 cm 2
Velocidad del punto 1, v 1 = 0,5 m/s
Consideremos que la velocidad desconocida es v 2 .
Según la ecuación de continuidad,
A 1 contra 1 = A 2 contra 2
Reorganiza la fórmula en términos de v 2 .
v 2 = UN 1 v 1 / UN 2
Sustituye todos los valores en la expresión anterior.
v 2 = (25 cm 2 ) × (0,5 m/s) / (2 cm 2 )
= 6,25 m/s
Así, la velocidad del agua en un punto de la segunda sección transversal es de 6,25 m/s.
Problema 4: Determinar el flujo de fluido que tiene una densidad relativa de 100 kg/m 3 , la viscosidad de 0,5 N s/m 2 con una velocidad de 5 m/s a través de una tubería de 0,2 m.
Solución:
El tipo de flujo se puede determinar por el valor del número de Reynolds.
Dado:
Velocidad del fluido, V = 5 m/s
Diámetro de la tubería, D = 0,2 m
Densidad relativa del fluido, p =100 kg/m 3
Viscosidad del fluido = 0,5 N s/m 2
La fórmula del número de Reynolds se da como:
R mi = ( p × V × D) / tu
Sustituye todos los valores en la fórmula para calcular el número de Reynolds.
Re = (100 kg/m 3 ) × (5 m/s) × (0,2 m) / (0,5 N s/m 2 )
= 200
Dado que el número de Reynolds es menor que 2000, el flujo de líquido es laminar.
Problema 5: ¿Por qué dos líneas de corriente nunca se cruzan?
Solución:
La dirección de la velocidad neta del flujo viene dada por la tangente en un punto a la línea de corriente.
Si las dos líneas de corriente se cruzan, denota dos direcciones diferentes de velocidad en un punto, que no son factibles. Como resultado, dos líneas de corriente no pueden intersecarse.