Dinámica de los fluidos

UNIVERSIDAD PANAMERICANA DEL PUERTO
FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA DE FLUIDOS
Prof. Domingo Sebastián Osorio
Dinámica de Fluidos

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RAPIDEZ DE FLUJO DE UN FLUIDO
Rapidez de flujo de un fluido: cantidad de flujo que fluye en un sistema por unidad de
tiempo, se puede expresar mediante los dos términos que definimos a continuación.

Q La rapidez de flujo de volumen (caudal) es el volumen del flujo de fluido que
pasa por una sección por unidad de tiempo.

m
La rapidez de flujo de masa (flujo másico) es la masa de fluido que fluye por
una sección por unidad de tiempo.
El más importante de estos dos términos es la rapidez de flujo de volumen, que se
calcula con la ecuación:
Av

Q
Donde A es el área de la sección y v es la velocidad promedio del flujo. Las unidades
de caudal son m3/s.

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RAPIDEZ DE VOLUMEN TÍPICAS
Rapidez de flujo
(L/min)
Sistema Rapidez de flujo
(gal/min, GPM)
10-100 Sistemas hidráulicos de aceite
industrial
3-30
100-600 Sistemas hidráulicos para equipo móvil 30-150
40-4500 Bombas centrífugas en procesos
químicos
10-1200
15-125 Bombas alternativas para el manejo de
fluidos y lechadas pesadas
4-33
200-4000 Bombas de control de flujo y drenaje 50-1000
40-15000 Bombas centrífugas para manejo de
desperdicios mineros
10-4000
1800-9500 Bombas centrífugas para combate de
fuego
500-2500

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RAPIDEZ DE FLUJO DE UN FLUIDO
La rapidez de flujo de masa está relacionada con la rapidez de flujo de volumen con la
ecuación:

 Qm 
En la que ρ es la densidad del fluido. Las unidades de la rapidez de flujo de masa son,
kg/s.
Símbolo Nombre Definición Unidades
SI
Sistema
Británico
de
Unidades
Rapidez de flujo de volumen
(caudal)
m3/s ft3/s
rapidez de flujo de masa
(flujo másico)
kg/s lb/s

Q Av

Q

m

 Qm 

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ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
El método para calcular la velocidad de flujo
de un fluido en un sistema de conductos
cerrado, depende del principio de continuidad.
Un fluido fluye de la sección 1 a la sección 2
con una rapidez constante. Esto es, la cantidad
de fluido que pasa por cualquier sección en un
cierto tiempo dado es constante. En este caso
decimos que el flujo es constante. Si no se
agrega fluido, se almacena o se retira entre la
sección 1 y la sección 2, entonces la masa de
fluido que pasa por la sección 2 en un tiempo
dado, debe ser la misma que la que fluye por
la sección 1, en el mismo tiempo. Lo anterior
se puede expresar como:
222111
21
vv AA
mm
 


ECUACIÓN
DE CONTINUIDAD

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La ecuación deducida anteriormente se utiliza para relacionar la densidad del fluido, el
área de flujo y la velocidad en dos secciones de un sistema en el que existe un flujo
estable. es válida para todos los fluidos, ya sean gases o líquidos.
Si el fluido que se encuentra en el tubo es un líquido que puede ser considerado
incompresible, entonces los términos ρ1 y ρ2 de la ecuación son iguales. Entonces la
ecuación queda:
2211 vv AA 
La ecuación deducida anteriormente es la ecuación de continuidad aplicada a líquidos;
establece que para un flujo estable, la rapidez de flujo de volumen es la misma en
cualquier sección. También se la puede utilizar, con un error pequeño, para gases a baja
velocidad, es decir, menor que 100 m/s.

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Conductos y tuberías comercialmente disponibles: Los tamaños nominales para los
conductos comercialmente disponibles todavía están en unidades de pulgadas, a pesar
de que la adopción del SI es una tendencia internacional. Los diámetros reales internos
y externos de conductos y tubos estándar disponibles comercialmente, puede ser
bastante diferentes del tamaño nominal dado. En los apéndices se dan los datos
correspondientes al diámetro exterior, diámetro interior, grueso de pared y área de flujo
para alguno de tales tipos.

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Tipo de Tubería Descripción
Conducto de acero Las líneas de conductos para propósitos generales, a menudo, están
construidas en acero. Los tamaños estándar de los conductos de acero
están diseñados de acuerdo con el tamaño nominal y el número de
calibre. Los números de calibre están relacionados con la presión de
operación permisible y con la tensión permitida del acero en el
conducto. El intervalo de números de calibre va de 10 a 160, y los
números más grandes indican un grosor mayor de las paredes de
conducto. Como todos los calibres de conductos de un tamaño nominal
tienen el mismo diámetro externo, los calibres más grandes tienen un
diámetro más pequeño. La serie más completa de conductos de acero
disponibles son los calibres 40 y 80.
Tubos de acero Los tubos estándar de acero se utilizan en sistemas hidráulicos,
condensadores, intercambiadores de calor, sistemas de combustible de
motores, y en sistemas industriales de procesamiento de fluidos. Los
tamaños están diseñados según el diámetro externo y el grueso de las
paredes. Los tamaños estándar van desde un ⅛ pulgada hasta 2
pulgadas, para varios gruesos de pared.

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Tipo de Tubería Descripción
Tubos de cobre Las líneas de plomería doméstica, para refrigeración y aire
comprimido, con frecuencia utilizan tuberías de cobre manufacturadas
tipo K o del tipo L. el tipo K tiene un mayor grosor de pared y es
recomendable para instalaciones subterráneas. El tipo L es adecuado
para tuberías domésticas de propósito general. El tamaño nominal de
los tubos de cobre es de ⅛ de pulgada, menos del diámetro exterior
real del tubo.
Conductos de hierro
dúctil
A menudo, las líneas de conducto de agua, gas y drenaje se hacen con
hierro dúctil, debido a su resistencia, ductilidad y relativa facilidad de
manejo. Junto con los tubos, se proporcionan conectores estándar para
la instalación adecuada de la tubería, ya sea subterránea o no. Varias
clases de conductos de hierro dúctil están disponibles para su uso en
sistemas que manejan un intervalo de presiones. Los tamaños
nominales van de 3 a 24 pulgadas. Los diámetros reales interno y
externo son mayores que los tamaños nominales.
Otros tipos de
conductos y tuberías
Los conductos de latón se utilizan con fluidos corrosivos, al igual que
el acero inoxidable. Otros ,materiales utilizados son el plomo, el
aluminio, el estaño, arcilla vitrificada, concreto, polietileno, nylon y
PVC.

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VELOCIDAD DE FLUJO RECOMENDADA
EN CONDUCTOS Y TUBERÍAS
Los factores que afectan la elección de una velocidad de flujo satisfactoria en los
sistemas de fluidos son numerosos. Algunos de los más importantes son del tipo de
fluido, la longitud del sistema de flujo, el tipo de conducto o de tubo, la caída de
presión que se puede tolerar, los dispositivos (como bombas, válvulas, etc.), que se
pueden conectar al conducto tubería, la temperatura, la presión y el ruido. En la
siguiente cuadro se presentan lineamientos generales para velocidades de flujo en
sistemas de potencia de fluido.
Sistema Unidades SI Unidades Sistema Británico
Entradas a bombas
(líneas de succión)
0,6 a 2,2 m/s 2,0 a 7,0 ft/s
Salidas de bombas
(líneas de descarga o de
presión)
2,4 a 7,5 m/s 8,0 a 25,0 ft/s
Líneas de retorno 0,6 a 2,6 m/s 2,0 a 8,5 ft/s

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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA-ECUACIÓN
DE BERNOULLI
Cuando se analizan problemas de flujo en
conductos, existen tres formas de energía.
Si tomamos un elemento de fluido, puede
estar localizado a una cierta elevación z,
tener una cierta velocidad v y una presión
p. El elemento de fluido tendrá las
siguientes formas de energía:
1. Energía potencial (EP): z
2. Energía cinética (EC): v2/2g
3. Energía de flujo (EF): p/γ

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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA-
ECUACIÓN DE BERNOULLI
Si no se agrega energía al fluido o se pierde entre las secciones 1 y 2, entonces el
principio de la conservación de la energía requiere que:
E1 = E2
2g
v
2g
v 2
2
2
2
2
1
1
1
 z
p
z
p

A esta expresión se le conoce con el nombre de ecuación de Bernoulli. Los términos
de la ecuación de Bernoulli se conocen a menudo como cabezales, refiriéndose a una
altura por encima de un nivel de referencia. El término p/γ se conoce como cabezal de
presión, a z se le llama cabezal de elevación; y al término v2/2g se le conoce como
cabezal de velocidad. La suma de los tres se conoce como cabezal total.

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Restricciones a la ecuación de Bernoulli:
1. Es válida solamente para fluidos incompresibles, puesto que el peso específico
del fluido se tomó como el mismo en las dos secciones de interés.
2. No puede haber dispositivos mecánicos entre las dos secciones de interés que
pudieran agregar o eliminar energía al sistema, ya que la ecuación establece que
la energía total del fluido es constante.
3. No puede haber transferencia de calor hacia adentro o fuera del fluido.
4. No pude haber pérdidas de energía debido a la fricción.

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Procedimiento para la aplicación de la ecuación de Bernoulli
1. Determine que elementos son conocidos y qué se va a encontrar.
2. Decida cuales dos secciones del sistema se utilizarán cuando se escriba la
ecuación de Bernoulli. Se escoge una sección la cual se conocen muchos datos.
3. Escriba la ecuación de Bernoulli para las dos secciones elegidas en el sistema. Es
importante que la ecuación se escriba en la dirección del flujo. Es decir, el flujo
debe ir de la sección de la parte izquierda de la ecuación a la parte derecha.
4. Simplifique la ecuación, si es posible, mediante la cancelación de los términos
cuyo valor es cero o de aquellos que son los mismos a ambos lados de la
ecuación.
5. Resuelva la ecuación algebraicamente para el término deseado.
6. Sustituya las cantidades conocidas y calcule el resultado, tome la precaución de
asegurar el uso de unidades consistentes a lo largo del cálculo.

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